Sirna là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa siRNA

SiRNA (small interfering RNA) là các phân tử RNA sợi đôi ngắn, có chiều dài từ 20 đến 25 nucleotide, có khả năng gây ra sự im lặng biểu hiện gen bằng cách phân giải mRNA mục tiêu. SiRNA là một phần không thể thiếu trong cơ chế can thiệp RNA (RNA interference – RNAi), một cơ chế sinh học tự nhiên được tìm thấy ở động vật, thực vật và một số sinh vật nhân sơ, giúp điều hòa biểu hiện gen và bảo vệ tế bào khỏi các yếu tố ngoại lai như virus.

SiRNA hoạt động bằng cách nhận diện trình tự bổ sung trên mRNA, từ đó dẫn đến sự cắt mRNA tại vị trí đó, gây ra sự ngừng sản xuất protein liên quan. Nhờ tính đặc hiệu cao và khả năng can thiệp chính xác, siRNA trở thành công cụ đắc lực trong nghiên cứu sinh học phân tử và phát triển thuốc điều trị bệnh lý di truyền hoặc ung thư.

Trong sinh học ứng dụng, siRNA còn được gọi là “RNA câm hóa” vì chức năng chính của nó là làm im lặng gen. Đây là cơ sở của nhiều công nghệ hiện đại trong sinh học chức năng, phân tích gen, và điều trị nhắm trúng đích (targeted therapy).

Cơ chế hoạt động của siRNA

Khi siRNA được đưa vào tế bào, nó được nạp vào một phức hợp protein có tên gọi là RISC (RNA-induced silencing complex). Trong quá trình này, một trong hai sợi RNA sẽ bị loại bỏ (passenger strand), sợi còn lại (guide strand) sẽ được giữ lại và hướng dẫn RISC nhận diện mRNA mục tiêu.

Khi guide strand của siRNA bắt cặp hoàn toàn với đoạn mRNA có trình tự bổ sung, enzyme Argonaute trong phức hợp RISC sẽ cắt mRNA ở vị trí trung tâm tương ứng. Kết quả là mRNA bị phân hủy, không thể dịch mã thành protein, dẫn đến hiện tượng im lặng gen.

Biểu diễn cơ chế phản ứng: $\text{siRNA}_{guide} + \text{mRNA}_{target} \xrightarrow{RISC} \text{mRNA}_{cleaved} \rightarrow \text{Gene\ silencing}$Phản ứng này diễn ra nhanh, chính xác, và không gây thay đổi trên trình tự DNA gốc, do đó hiệu ứng của siRNA là tạm thời nhưng có thể kiểm soát được về mặt động học.

Phân biệt siRNA với miRNA và shRNA

SiRNA, miRNA (microRNA) và shRNA (short hairpin RNA) đều thuộc nhóm các RNA nhỏ không mã hóa và đều tham gia vào cơ chế can thiệp RNA, nhưng chúng khác biệt rõ ràng về nguồn gốc, cấu trúc và cách thức hoạt động.

MiRNA chủ yếu điều hòa biểu hiện gen nội sinh trong tế bào bằng cách bắt cặp không hoàn toàn với mRNA và làm chậm quá trình dịch mã. Ngược lại, siRNA có tính đặc hiệu cao hơn và chủ yếu nhắm vào việc phá hủy hoàn toàn mRNA. ShRNA là một chiến lược thay thế siRNA trong các ứng dụng yêu cầu im lặng gen lâu dài thông qua hệ thống biểu hiện ổn định.

Thiết kế và tổng hợp siRNA

Việc thiết kế siRNA hiệu quả và an toàn đòi hỏi tính toán chính xác về vị trí nhắm trên mRNA, trình tự bổ sung, độ dài phù hợp và tránh các vùng cấu trúc thứ cấp hoặc biến thể đơn nucleotide (SNP). SiRNA nên bắt đầu bằng base A hoặc U ở đầu 5’, tránh vùng 3’UTR chứa nhiều yếu tố điều hòa và có trình tự GC từ 30–52%.

Một số tiêu chí thiết kế siRNA:

• Chiều dài lý tưởng: 21–23 nucleotide
• Tránh vùng đầu và cuối mRNA (nên chọn exon giữa)
• Không có trình tự palindromic (tự bổ sung)
• Không có motif kích hoạt miễn dịch (UGUGU, CpG)

Hiện nay, siRNA có thể được tổng hợp hóa học với các biến đổi như 2’-O-methyl, phosphorothioate, hoặc liên hợp cholesterol để tăng độ ổn định trong huyết thanh. Ngoài ra, có thể sử dụng các công cụ thiết kế trực tuyến như:

• RNAi Designer – Thermo Fisher Scientific
• siRNA Wizard – InvivoGen

Ứng dụng của siRNA trong nghiên cứu

SiRNA được sử dụng rộng rãi trong sinh học phân tử để đánh giá chức năng của gen bằng cách “tắt” gen đó trong thời gian ngắn và quan sát hậu quả sinh học. Đây là công cụ mạnh mẽ trong việc xác định vai trò của protein trong tín hiệu tế bào, chu kỳ tế bào, biệt hóa, và đáp ứng miễn dịch.

Trong các nghiên cứu quy mô lớn, siRNA có thể được sử dụng theo kiểu high-throughput bằng cách sắp xếp hàng nghìn siRNA vào các giếng vi mô 96 hoặc 384 giếng chứa tế bào, sau đó đánh giá sự thay đổi về hình thái, biểu hiện protein hoặc khả năng sống sót. Các thư viện siRNA thương mại như Dharmacon SMARTpool hoặc Ambion Silencer đã hỗ trợ hàng nghìn nghiên cứu di truyền toàn genome.

Một số lĩnh vực ứng dụng chính:

• Nghiên cứu gen ung thư: tìm hiểu vai trò của gen gây tăng sinh hoặc kháng thuốc
• Miễn dịch học: phân tích các yếu tố kiểm soát viêm và đáp ứng miễn dịch bẩm sinh
• Vi sinh và virus học: đánh giá sự phụ thuộc của virus vào protein tế bào chủ

SiRNA trong điều trị bệnh

Việc chuyển hóa siRNA từ nghiên cứu sang điều trị đã gặp nhiều thách thức, nhưng đến nay một số thuốc siRNA đầu tiên đã được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt, đánh dấu bước ngoặt quan trọng cho liệu pháp RNAi. Tiêu biểu nhất là Patisiran (Onpattro), thuốc điều trị bệnh amyloidosis di truyền do transthyretin, và Givosiran (Givlaari), điều trị rối loạn chuyển hóa porphyria.

SiRNA điều trị thường được đóng gói trong các hệ thống dẫn truyền như hạt nano lipid (LNP – lipid nanoparticles), hoặc liên hợp với GalNAc để hướng đích đến tế bào gan thông qua thụ thể ASGPR. Các hệ thống này bảo vệ siRNA khỏi bị phân hủy bởi RNase trong máu và giúp nó xâm nhập vào tế bào đích một cách hiệu quả.

Một số bệnh đang có thử nghiệm lâm sàng siRNA:

• Viêm gan B mạn tính (HBV) – nhắm gene S, X của virus
• Ung thư gan, vú, buồng trứng – nhắm gen KRAS, VEGF, survivin
• Bệnh Alzheimer và Parkinson – nhắm gen APP, α-synuclein
• COVID-19 – nhắm các đoạn gene của SARS-CoV-2 như ORF1ab, N

Thách thức kỹ thuật khi ứng dụng siRNA

Mặc dù có nhiều tiềm năng, ứng dụng siRNA trong điều trị gặp không ít rào cản. Thứ nhất, siRNA có thể bị phân hủy nhanh chóng bởi RNase trong huyết thanh. Thứ hai, nó có thể kích hoạt phản ứng miễn dịch bẩm sinh, nhất là qua thụ thể TLR3 hoặc RIG-I. Thứ ba, siRNA có thể gắn nhầm vào mRNA không đích (off-target effects), gây ra hậu quả không mong muốn.

Ngoài ra, khó khăn lớn nhất là đưa siRNA vào đúng mô đích. Không giống như protein hay kháng thể, siRNA không có khả năng tự thâm nhập mà cần phương tiện dẫn truyền. Một số chiến lược cải tiến:

• Thay đổi hóa học ở các đầu 5' hoặc 3' (2’-O-methyl, 2’-F, phosphorothioate)
• Liên hợp với cholesterol hoặc GalNAc để tăng hấp thu qua tế bào
• Sử dụng vỏ bọc lipid (LNPs) để vượt qua màng tế bào và tránh hệ miễn dịch

So sánh hiệu quả với công nghệ chỉnh sửa gen khác

SiRNA thường được so sánh với công nghệ CRISPR/Cas9 do cả hai đều nhắm mục tiêu đến gen cụ thể. Tuy nhiên, chúng có bản chất và ứng dụng khác nhau. SiRNA chỉ làm im lặng gen ở mức mRNA mà không gây thay đổi DNA, do đó hiệu quả tạm thời và có thể đảo ngược. CRISPR thì chỉnh sửa trực tiếp genome nên hiệu quả dài hạn hoặc vĩnh viễn.

So sánh tổng quát:

Tiềm năng và hướng phát triển

Tương lai của công nghệ siRNA phụ thuộc vào ba hướng chính: tăng độ ổn định, cải thiện hướng đích và giảm độc tính ngoài mục tiêu. Sự phát triển của vật liệu dẫn truyền mới (như dendrimer, polymer pH-sensitive, exosome) mở ra khả năng đưa siRNA đến các mô khó tiếp cận như não hoặc phổi.

Bên cạnh đó, việc kết hợp siRNA với các liệu pháp khác như miễn dịch học, hóa trị hoặc liệu pháp protein đang là xu hướng. Các công ty như Alnylam, Arrowhead và Dicerna đang phát triển danh mục siRNA đa dạng cho bệnh tim mạch, chuyển hóa, thần kinh và ung thư.

Các công cụ AI hiện đang được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế siRNA, dự đoán off-target, và mô phỏng tương tác RNA-mRNA. Việc tích hợp tin sinh học và công nghệ nano sẽ là chìa khóa để siRNA trở thành lớp thuốc thế hệ mới.

Tài liệu tham khảo

1. Fire, A., Xu, S. et al. (1998). “Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in C. elegans.” Nature, 391(6669), 806–811.
2. Setten, R. L. et al. (2019). “The current state and future directions of RNAi-based therapeutics.” Nature Reviews Drug Discovery, 18, 421–446.
3. NCBI Bookshelf. “RNA Interference and siRNA.” ncbi.nlm.nih.gov
4. Alnylam Pharmaceuticals. “RNAi Therapeutics Pipeline.” alnylam.com
5. Davidson, B. L. & McCray, P. B. (2011). “Current prospects for RNA interference–based therapeutics.” Nature Reviews Genetics, 12(5), 329–340.
6. Thermo Fisher Scientific. “RNAi Designer Tool.” rnaidesigner.thermofisher.com