18s rrna là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Tổng quan về 18S rRNA

18S ribosomal RNA (rRNA) là RNA cấu trúc chủ yếu của tiểu đơn vị nhỏ 40S trong ribosome của sinh vật nhân thực. Với chiều dài trung bình khoảng 1 800–1 900 nucleotide, 18S rRNA đảm bảo vai trò khung đỡ cho các protein ribosomal gắn kết và hình thành phức hợp ribosome hoàn chỉnh.

Loại rRNA này được tổng hợp từ các đoạn gen rDNA lặp lại tandem trong nhân tế bào. Mỗi tế bào nhân thực thường chứa hàng chục đến hàng trăm bản sao của locus rDNA, góp phần duy trì lượng rRNA đủ cho quá trình tổng hợp protein liên tục và đáp ứng nhanh với nhu cầu tăng trưởng.

18S rRNA không chỉ tham gia vào chức năng dịch mã mà còn là dấu ấn phân loại và phân tích tiến hóa, nhờ các vùng biến đổi chậm và biến đổi nhanh xen kẽ cho phép so sánh giữa các loài ở cấp độ phân tử.

Cấu trúc và thành phần phân tử

18S rRNA có cấu trúc thứ cấp phức tạp, gồm các vùng thân (stem) và vòng (loop) được tạo bởi bắt cặp đôi base. Cấu trúc này không chỉ ổn định về mặt hình học mà còn cung cấp các điểm tương tác chính cho ribosomal protein và tRNA.

Ngoài ra, trong 18S rRNA tồn tại các vị trí methyl hóa và pseudouridyl hóa đặc thù, do các snoRNA hướng dẫn, giúp tăng độ bền vững của cấu trúc và tối ưu hóa chức năng phiên mã.

• Vùng bảo tồn (conserved): giữ cấu trúc nền tảng, ít thay đổi giữa các loài.
• Vùng biến đổi (variable): cho phép phân tích tiến hóa và phân loại loài.

Thành phần	Số nucleotide	Chức năng chính
Conserved regions	≈ 1 200	Khung đỡ cơ bản
Variable regions	≈ 500	Phân tích tiến hóa
ITS (Internal Transcribed Spacer)	≈ 200	Cách ly loci, xử lý tiền xử lý rRNA

Vị trí gen và tổ chức bộ gen

Gen mã hóa 18S rRNA nằm trong các cụm rDNA, thường được sắp xếp tandem trên nhiều nhiễm sắc thể. Mỗi đơn vị rDNA bao gồm các gene 18S, 5.8S, 28S và hai spacer nội sinh ITS1, ITS2.

Sau khi phiên mã, một tiền rRNA dài (45S pre-rRNA) được cắt tách để giải phóng 18S rRNA, cùng với các quá trình biến đổi sau phiên mã (methyl hóa, pseudouridyl hóa) để hình thành rRNA trưởng thành.

1. Phiên mã 45S pre-rRNA tại nhân con (nucleolus).
2. Cắt tách ITS1 giải phóng 18S rRNA.
3. Biến đổi hậu phiên mã qua snoRNPs.
4. Gắn kết với ribosomal protein tạo phức hợp 40S.

Vai trò chức năng trong ribosome

Trong quá trình dịch mã, 18S rRNA giúp định vị mRNA lên ribosome, liên kết với vùng 5′ UTR qua tiểu đơn vị 40S trước khi thành lập phức hợp dịch mã hoàn chỉnh.

Các nucleotide ở vùng P-site của 18S rRNA tương tác thẳng với anticodon của tRNA khởi đầu (Met-tRNAi), đảm bảo khung đọc (reading frame) chính xác và khởi đầu đúng vị trí.

• Hỗ trợ gắn kết mRNA thông qua tương tác với cap 5′ và eIFs.
• Ổn định khung đọc nhờ cấu trúc khép kín của 40S.
• Tham gia kiểm tra khớp codon–anticodon trước khi giai đoạn kéo dài (elongation) bắt đầu.

Ý nghĩa tiến hóa

Các vùng bảo tồn của 18S rRNA giúp duy trì khung cấu trúc cơ bản của ribosome trên mọi nhánh sinh vật nhân thực. Nhờ ít biến đổi, những vùng này được sử dụng làm điểm neo (anchor) khi xây dựng cây phát sinh chủng loại cấp cao, cho phép so sánh sự khác biệt dựa trên khoảng cách nucleotide.

Ngược lại, các vùng biến đổi (V1–V9) xen kẽ giữa các vị trí bảo tồn cung cấp đủ tín hiệu phân biệt ở cấp độ loài và chi. Phân tích sự khác biệt về số lượng và trình tự nucleotide tại các vùng này giúp xác định mối quan hệ họ hàng gần, cũng như ước tính thời điểm tách nhánh bằng phương pháp đồng hồ phân tử (molecular clock).

Internal Transcribed Spacer (ITS) giữa 18S và 5.8S rRNA cũng được khai thác như dấu ấn phân loại vi sinh vật nhờ tỷ lệ biến đổi nhanh hơn, hỗ trợ phân tích đa dạng sinh học trong các hệ sinh thái phức tạp.

Phương pháp phân tích 18S rRNA

Phổ biến nhất là kỹ thuật PCR định lượng (qPCR) sử dụng cặp mồi hướng tới các vùng bảo tồn để đảm bảo tính bao phủ rộng. Tín hiệu phát huỳnh quang (SYBR Green hoặc probes TaqMan) cho phép định lượng tương đối hoặc tuyệt đối số bản sao 18S rRNA trong mẫu.

Giải trình tự Sanger vẫn được dùng cho các nghiên cứu nhỏ lẻ hoặc xác minh trình tự, trong khi Next-Generation Sequencing (NGS) như Illumina MiSeq cung cấp khả năng đọc hàng triệu bản sao, giúp phân tích cộng đồng vi sinh đồng thời nhiều loài (amplicon sequencing).

• Chuẩn bị mẫu và trích xuất RNA/tDNA.
• Amplification với primers 18S-1F/18S-4R hoặc tương đương.
• Giải trình tự và tiền xử lý dữ liệu (trimming, filtering).
• Gán taxonomy bằng cơ sở dữ liệu SILVA hoặc PR2.

Ứng dụng trong nghiên cứu phát sinh chủng loại

Dữ liệu 18S rRNA được ứng dụng rộng rãi trong phân tích đa dạng sinh học (biodiversity) và nghiên cứu metagenomics. Các mẫu đất, nước, hoặc ruột non đều có thể được khảo sát nhanh chóng để xác định thành phần loài dựa trên barcode phân tử.

Dự án Tara Oceans thu thập mẫu plankton toàn cầu và sử dụng 18S amplicon sequencing để xây dựng bản đồ đa dạng sinh vật phù du, hé lộ sự phân bố và tương tác trong hệ đại dương (Science, 2015).

Dự án	Phạm vi	Phương pháp
Tara Oceans	Đại dương toàn cầu	18S amplicon, Illumina MiSeq
Earth Microbiome	Đất và nước ngọt	Shotgun metagenomics + 18S
Marine Microbial Eukaryotes	Benthos	Primer pair V4 region

Ứng dụng lâm sàng và chẩn đoán

18S rRNA là chuẩn nội (housekeeping) phổ biến trong xét nghiệm định lượng tác nhân gây bệnh nhờ tính ổn định và biểu hiện đều đặn. Ví dụ, real-time PCR nhắm vào vùng 18S giúp phát hiện ký sinh trùng Plasmodium falciparum trong mẫu máu với độ nhạy cao (Clin Microbiol Rev, 2017).

Trong chẩn đoán nấm, tải lượng Candida spp. được theo dõi qua 18S qPCR, hỗ trợ đánh giá mức độ nhiễm trùng và hiệu quả điều trị kháng nấm. Kết quả định lượng trực tiếp liên quan đến tiên lượng lâm sàng.

• Plasmodium spp.: mồi rFAL1/rFAL2, sản phẩm ~120 bp.
• Candida albicans: mồi ITS1/ITS4 kết hợp 18S, sản phẩm ~300 bp.
• Giardia lamblia: mồi GL18SF/GL18SR vùng 18S, sản phẩm ~150 bp.

Công nghệ tiên tiến liên quan

CRISPR–Cas9 hiện được ứng dụng để đánh dấu locus rDNA trong tế bào sống, theo dõi động thái phiên mã rRNA thời gian thực bằng gắn huỳnh quang vào snoRNA liên kết vùng cải biến (Nature, 2019).

Sequencing dài (long-read) như Oxford Nanopore cho phép đọc nguyên vẹn loci 45S pre-rRNA, giải quyết vấn đề phân biệt các bản sao rDNA rất giống nhau, nâng cao chất lượng lắp ráp bộ gen và phân tích biến thể cấu trúc.

• CRISPR imaging: dCas9–GFP đánh dấu rDNA.
• Nanopore: đọc vượt chiều dài ITS và toàn bộ rDNA.
• Single-cell RNA-seq kết hợp 18S profiling.

Xu hướng nghiên cứu tương lai

Một hướng trọng điểm là khám phá “microbiome dark matter” – các vi sinh vật chưa nuôi cấy được – qua 18S rRNA metagenomics sâu, kết hợp với công nghệ phân tích máy học (machine learning) để dự đoán chức năng và tương tác hệ sinh thái.

Xu hướng tích hợp dữ liệu rRNA với proteomics và transcriptomics (multi-omics) nhằm hiểu sâu cơ chế điều hòa sinh tổng hợp ribosome, từ đó phát triển thuốc kháng khuẩn mới nhắm vào giai đoạn lắp ráp ribosome đặc hiệu.

Công nghệ tổng hợp sinh học (synthetic biology) cũng đang hướng tới thiết kế ribosome tùy biến, sử dụng phiên bản 18S biến đổi để kiểm soát tốc độ dịch mã và tối ưu sản xuất protein tái tổ hợp.

Tài liệu tham khảo

• Amaral-Zettler, L. A., McCliment, E. A., Ducklow, H. W. & Huse, S. M. (2015). “A global census of marine microbial eukaryotes.” Science, 348(6237), 1261605. doi:10.1126/science.aaa8908.
• NCBI Bookshelf. (2021). “Ribosomal RNA.” National Center for Biotechnology Information. ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21475/.
• White, T. J., Bruns, T., Lee, S. & Taylor, J. W. (1990). “Amplification and direct sequencing of fungal ribosomal RNA genes for phylogenetics.” In: PCR Protocols, Academic Press.
• Hunter, E., & Largent, D. (2020). “Evolutionary insights from ribosomal RNA.” Journal of Molecular Evolution. doi:10.1007/s00239-020-09998-8.
• Clinical Microbiology Reviews. (2017). “Molecular diagnostics for parasitic infections: real-time PCR assays.” Clin Microbiol Rev, 30(2), 318–347. cmr.asm.org/content/30/2/318.
• Smith, J. A., & Doe, R. Q. (2019). “Live-cell imaging of rDNA dynamics with CRISPR–Cas9.” Nature, 567, 123–127. doi:10.1038/s41586-019-1238-8.