Gỡ rối di truyền để định hình đặc điểm khuôn mặt như thế nào?

Sau hàng trăm gen với tác động khó lường, các nhà khoa học hiện đang tìm hiểu những quá trình phát triển tổng thể định hình hình học khuôn mặt.

Mở đầu

Khi Eric Mueller – một người con nuôi – lần đầu nhìn thấy bức ảnh của mẹ ruột, anh choáng ngợp bởi sự giống nhau giữa khuôn mặt của hai người. Đó là, anh viết, lần đầu tiên tôi từng thấy ai đó trông giống mình. Trải nghiệm ấy đã dẫn Mueller – một nhiếp ảnh gia ở Minneapolis – đến với một dự án kéo dài ba năm để chụp ảnh hàng trăm cặp người thân, culminate trong cuốn sách Family Resemblance (Sự giống nhau trong gia đình).

Những sự giống nhau như vậy là điều phổ biến – và chúng cho thấy ảnh hưởng di truyền mạnh mẽ đối với khuôn mặt. Tuy nhiên, khi các nhà khoa học đào sâu vào yếu tố di truyền của các đặc điểm khuôn mặt, bức tranh lại trở nên phức tạp hơn. Hàng trăm, thậm chí hàng ngàn gen ảnh hưởng đến hình dáng khuôn mặt, phần lớn theo những cách tinh vi khiến việc dự đoán khuôn mặt của một người thông qua việc phân tích tác động của từng gen gần như là không thể.

Khi hiểu biết ngày càng mở rộng, một số nhà nghiên cứu bắt đầu đi đến kết luận rằng họ cần nhìn nhận vấn đề theo một hướng khác để hiểu về khuôn mặt. Có thể chúng ta đang đuổi theo điều sai khi cố tạo ra lời giải thích ở cấp độ gen, Benedikt Hallgrímsson – nhà di truyền học phát triển và nhân chủng học tiến hóa tại Đại học Calgary, Canada – nói.

Thay vào đó, Hallgrímsson và những người khác cho rằng họ có thể nhóm các gen thành các đội hoạt động cùng nhau khi khuôn mặt được hình thành. Hiểu được cách các đội này phối hợp, và các quá trình phát triển mà chúng ảnh hưởng, sẽ dễ quản lý hơn nhiều so với việc cố gắng phân tích ảnh hưởng của hàng trăm gen riêng lẻ. Nếu họ đúng, khuôn mặt có thể hóa ra lại ít phức tạp hơn chúng ta tưởng.

Vẽ bản đồ cảnh quan khuôn mặt

Khi các nhà di truyền học bắt đầu tìm hiểu khuôn mặt, họ khởi đầu với những trái thấp dễ hái – xác định các gen chịu trách nhiệm cho những dị tật trên khuôn mặt. Vào những năm 1990, chẳng hạn, họ phát hiện rằng một đột biến trong một gen gây ra hội chứng Crouzon – đặc trưng bởi đôi mắt cách xa nhau, thường lồi ra, và xương hàm trên kém phát triển – trong khi một đột biến ở gen khác gây ra hội chứng Treacher Collins, đặc trưng bởi mắt nghiêng xuống dưới, hàm dưới nhỏ và sứt môi vòm họng. Đó là điểm khởi đầu, nhưng những trường hợp cực đoan như vậy không nói lên nhiều điều về lý do tại sao khuôn mặt bình thường lại có sự đa dạng lớn như vậy.

Sau đó, khoảng một thập kỷ trước, các nhà di truyền học bắt đầu tiếp cận theo hướng khác. Trước tiên, họ định lượng hàng ngàn khuôn mặt bình thường bằng cách xác định các mốc trên từng khuôn mặt – đầu cằm, khóe môi, chóp mũi, góc ngoài của mỗi mắt… – và đo khoảng cách giữa các điểm. Sau đó, họ sàng lọc bộ gen của những cá nhân đó để xem liệu có biến thể di truyền nào tương ứng với các số đo khuôn mặt cụ thể hay không. Phân tích này được gọi là nghiên cứu tương quan toàn bộ hệ gen (GWAS – phát âm là jee wass).

Đến nay, đã có khoảng 25 nghiên cứu GWAS về hình dạng khuôn mặt được công bố, với hơn 300 gen được xác định. Mỗi vùng khuôn mặt đều được giải thích bởi nhiều gen, Seth Weinberg – nhà di truyền học sọ mặt tại Đại học Pittsburgh – nói. Có những gen đẩy ra ngoài và những gen kéo vào trong. Chính sự cân bằng tổng thể này hình thành nên bạn và diện mạo của bạn.

Không chỉ có rất nhiều gen liên quan đến từng vùng trên khuôn mặt, các biến thể đã được phát hiện cho đến nay cũng không giải thích rõ ràng được chi tiết của mỗi khuôn mặt. Trong một khảo sát về di truyền học khuôn mặt trong Đánh giá thường niên về bộ gen và di truyền học con người năm 2022, (Annual review of genomics and human genetics 2022), Weinberg và các cộng sự đã tập hợp kết quả GWAS trên khuôn mặt của 4.680 người có tổ tiên châu Âu. Các biến thể gen đã biết chỉ giải thích khoảng 14% sự khác biệt giữa các khuôn mặt. Tuổi tác chiếm khoảng 7%, giới tính 12%, và chỉ số khối cơ thể (BMI) khoảng 19% sự biến đổi – để lại tới 48% chưa được giải thích.

Rõ ràng, có điều gì đó quan trọng trong việc xác định hình dáng khuôn mặt không được GWAS ghi nhận. Tất nhiên, một phần của sự khác biệt còn thiếu đó có thể là do môi trường – trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã nhận thấy rằng một số phần của khuôn mặt, bao gồm má, hàm dưới và miệng, có vẻ dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như chế độ ăn uống, lão hóa và khí hậu. Nhưng một manh mối khác cho yếu tố thiếu vắng đó, nhiều nhà nghiên cứu đồng ý, nằm trong di truyền học độc đáo của từng gia đình.

Biến thể lớn và nhỏ

Nếu khuôn mặt đơn thuần là tổng hợp của hàng trăm tác động di truyền nhỏ, như kết quả GWAS ngụ ý, thì khuôn mặt của mỗi đứa trẻ phải là sự pha trộn hoàn hảo, nằm ở giữa hai cha mẹ – Hallgrímsson nói – giống như việc tung đồng xu 300 lần thì gần như chắc chắn cho ra khoảng 150 mặt ngửa. Nhưng bạn chỉ cần nhìn vào một số gia đình là thấy không phải vậy. Con trai tôi có cái mũi giống bà nội, Hallgrímsson nói. Điều đó có nghĩa là có những biến thể di truyền có tác động lớn trong phạm vi gia đình.

Nhưng nếu một số gen khuôn mặt có tác động lớn và có thể quan sát trong gia đình mang chúng, tại sao chúng không xuất hiện trong GWAS? Có thể các biến thể đó quá hiếm trong dân số nói chung. Hình dạng khuôn mặt thực sự là sự kết hợp của biến thể phổ biến và hiếm, Peter Claes – nhà di truyền học hình ảnh tại Đại học KU Leuven (Bỉ) – nói. Ví dụ khả dĩ, ông chỉ ra cái mũi nổi bật của nam diễn viên Pháp Gérard Depardieu. Bạn chưa biết yếu tố di truyền, nhưng bạn cảm nhận đây là một biến thể hiếm, ông nói.

Một số đặc điểm khuôn mặt khác có tính di truyền trong gia đình như lúm đồng tiền, cằm chẻ và lông mày liền cũng có thể là ứng viên cho những biến thể hiếm có tác động lớn, theo Stephen Richmond – nhà nghiên cứu chỉnh nha tại Đại học Cardiff, xứ Wales – người nghiên cứu di truyền học khuôn mặt. Tuy nhiên, để tìm kiếm những biến thể hiếm như vậy, các nhà nghiên cứu sẽ cần vượt ra khỏi GWAS để khám phá các tập dữ liệu lớn chứa toàn bộ trình tự bộ gen – một nhiệm vụ cần đợi cho đến khi có nhiều trình tự gen liên kết với số đo khuôn mặt được thu thập đầy đủ, Claes nói.

Một khả năng khác là các biến thể gen giống nhau có tác động nhỏ trong phần lớn trường hợp nhưng lại có tác động lớn hơn trong một số gia đình nhất định. Hallgrímsson đã quan sát thấy điều này ở chuột: Ông và các cộng sự, đặc biệt là Christopher Percival (nay ở Đại học Stony Brook), đã đưa các đột biến ảnh hưởng đến hình dạng sọ mặt vào ba dòng chuột đồng huyết. Họ phát hiện ba dòng chuột này có hình dạng khuôn mặt rất khác nhau. Cùng một đột biến ở các dòng chuột khác nhau có thể tạo ra hiệu ứng khác nhau, đôi khi thậm chí là trái ngược, Hallgrímsson nói.

Nếu điều tương tự xảy ra ở người, thì trong một gia đình cụ thể – như với một dòng chuột cụ thể – nền tảng di truyền độc đáo của gia đình đó có thể khiến một số biến thể hình dạng khuôn mặt trở nên mạnh mẽ hơn. Nhưng chứng minh điều đó ở người, mà không có sự hỗ trợ từ các dòng chuột đồng huyết, sẽ là một thách thức, Hallgrímsson nói.

Tìm hiểu quá trình phát triển

Một hướng tiếp cận tốt hơn, theo Hallgrímsson, là nghiên cứu các quá trình phát triển làm nền tảng cho cách khuôn mặt hình thành. Quá trình phát triển bao gồm các đội gen phối hợp với nhau – thường để điều hòa hoạt động của các gen khác – nhằm kiểm soát cách các cơ quan và mô cụ thể hình thành trong giai đoạn phôi thai. Để xác định các quá trình liên quan đến hình dạng khuôn mặt, Hallgrímsson và nhóm của ông đã sử dụng phương pháp thống kê tiên tiến để tìm các gen ảnh hưởng đến sự biến dị sọ mặt ở hơn 1.100 con chuột. Sau đó, họ truy cập các cơ sở dữ liệu di truyền để xác định quá trình phát triển mà mỗi gen tham gia. Phân tích cho thấy ba quá trình đặc biệt quan trọng: phát triển sụn, tăng trưởng não và hình thành xương. Có khả năng, Hallgrímsson suy đoán, sự khác biệt cá nhân về tốc độ và thời điểm của ba quá trình này (và có thể là một số quá trình khác) chính là phần lớn lời giải thích cho lý do tại sao khuôn mặt của một người khác với người khác.

Các trục hình dạng khuôn mặt

Điều thú vị là, dường như một số đội gen này có các đội trưởng chỉ huy hoạt động của các thành viên khác. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng hiểu sự đa dạng khuôn mặt có thể tập trung vào hành vi của các gen đội trưởng này thay vì hàng trăm gen đơn lẻ. Một bằng chứng hỗ trợ cho ý tưởng về đội trưởng gen đến từ một nghiên cứu gần đây của Sahin Naqvi – nhà di truyền học tại Đại học Stanford – và các cộng sự. Nhóm của Naqvi nghiên cứu một nhóm người có số bản sao bất thường của các đoạn DNA nằm gần một gen điều hòa quan trọng có tên là SOX9. Khi nhóm này kiểm tra các đặc điểm khuôn mặt của những người đó, họ thấy hình dạng khuôn mặt bị biến đổi mạnh mẽ – đặc biệt là vùng giữa mặt – theo một mô hình liên tục: từ khuôn mặt ngắn, rộng đến khuôn mặt dài, hẹp. Hiệu ứng tương tự xuất hiện ở chuột khi nhóm nghiên cứu thay đổi mức độ hoạt động của gen SOX9.

Mặc dù SOX9 không trực tiếp kiểm soát quá trình hình thành khuôn mặt, nhưng nó lại điều khiển hoạt động của các gen khác. Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng khoảng 75% các gen từng được xác định trong các nghiên cứu GWAS khuôn mặt nằm dưới sự điều hòa của SOX9 ở một số thời điểm trong quá trình phát triển khuôn mặt. Điều này gợi ý rằng SOX9 và các gen giống nó có thể hoạt động như những điểm hội tụ ảnh hưởng đến hình dạng khuôn mặt – về cơ bản là những đội trưởng trong đội hình gen phát triển khuôn mặt.

Nếu điều này đúng, thì có lẽ khuôn mặt con người có thể được mô tả theo một vài trục phát triển – ví dụ như dài–ngắn hay hẹp–rộng – thay vì hàng ngàn đặc điểm riêng biệt. Các nhà khoa học đã xác định ít nhất mười trục như vậy, và hiện đang cố gắng tìm hiểu mối liên hệ của chúng với các đội gen khác nhau.

Cách tiếp cận này mang lại nhiều triển vọng. Thứ nhất, nó giúp đơn giản hóa vấn đề tưởng chừng bất khả: thay vì cố gắng vẽ lại toàn bộ khuôn mặt từ DNA – một nhiệm vụ cực kỳ khó – thì việc dự đoán nơi một người rơi vào các trục phát triển nhất định sẽ khả thi hơn rất nhiều. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã có một số thành công trong việc dự đoán hình dạng khuôn mặt tổng thể bằng cách sử dụng dữ liệu từ các nghiên cứu GWAS để dự đoán vị trí của một cá nhân dọc theo các trục phát triển chính. Điều này có thể mang lại ứng dụng thực tiễn trong pháp y, chẳng hạn như tái dựng khuôn mặt từ mẫu DNA thu được tại hiện trường.

Thứ hai, hiểu các quá trình phát triển và các gen điều phối chúng có thể giúp các bác sĩ chẩn đoán tốt hơn các hội chứng ảnh hưởng đến khuôn mặt. Hiện có khoảng 700 hội chứng như vậy đã được mô tả, và trong tương lai, chỉ với một bức ảnh khuôn mặt kết hợp cùng phân tích gen, bác sĩ có thể xác định một đứa trẻ có đang mắc một rối loạn phát triển nào không.

Khuôn mặt trong dòng thời gian tiến hóa

Hiểu được các quá trình phát triển khuôn mặt cũng có thể làm sáng tỏ lịch sử tiến hóa của loài người. Một số đặc điểm khuôn mặt của con người – chẳng hạn như khuôn mặt phẳng và phần giữa mặt lùi vào trong – khác biệt rõ rệt so với các loài linh trưởng khác như tinh tinh. Theo Hallgrímsson, có thể sự khác biệt này không chỉ là kết quả của một vài đột biến gen đơn lẻ, mà là do sự thay đổi ở cấp độ điều tiết – các quá trình phát triển điều phối toàn bộ đội hình gen.

Một ví dụ minh họa là nghiên cứu từ nhóm của Hallgrímsson cho thấy sự thay đổi hình dạng sọ mặt của chuột trong thí nghiệm có thể liên quan đến thay đổi về thời điểm và mức độ hoạt động của một quá trình phát triển cụ thể, chứ không cần phải thay đổi toàn bộ chuỗi DNA mã hóa.

Điều này phù hợp với một mô hình tiến hóa được gọi là tiến hóa điều tiết (regulatory evolution), trong đó các thay đổi không phải nằm ở các gen mã hóa protein, mà ở cách các gen này được bật–tắt trong quá trình phát triển. Chính việc điều chỉnh các bộ điều khiển này – những yếu tố như SOX9 – đã góp phần tạo ra sự đa dạng hình dạng khuôn mặt giữa người với người và giữa các loài.

Chúng ta đang đi về đâu?

Mặc dù bức tranh vẫn chưa hoàn chỉnh, nhưng việc kết hợp giữa di truyền học, sinh học phát triển và mô hình hóa hình học đang dần mang lại cái nhìn toàn diện hơn về lý do tại sao khuôn mặt của mỗi người lại mang tính cá nhân như vậy.

Tôi nghĩ điều khiến khuôn mặt chúng ta trở nên hấp dẫn chính là tính đặc thù của nó, Hallgrímsson nói. Chúng ta luôn bị thu hút bởi các khuôn mặt, nhưng đến nay mới bắt đầu hiểu được tại sao chúng lại khác biệt đến thế.

Weinberg đồng tình. Với sự hỗ trợ của công nghệ và dữ liệu, chúng tôi đang đến gần hơn bao giờ hết việc hiểu được những quá trình phức tạp hình thành nên khuôn mặt. Có thể chúng ta sẽ không bao giờ dự đoán chính xác từng chi tiết khuôn mặt từ DNA, nhưng hiểu được các trục hình dạng và các nhóm gen chủ chốt sẽ mở ra một hướng đi hoàn toàn mới.