Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

Đọc sách Y sinh || www.docsachysinh.com || Microworld - Macromind

 

CÁC LỘ TRÌNH TÍN HIỆU TẾ BÀO CHÍNH

Trọng tâm sinh học phân tử tế bào

Nguyễn Phước Long - Phùng Trung Hùng

Đại cương

Tế bào điều hòa hoạt động của nó thông qua các lộ trình tín hiệu và phần lớn lộ trình trong số đó đã được biết cho đến hôm nay. Trong chương này, chúng ta sẽ cùng nhau thảo luận về các cơ chế điều hòa trong tế bào. Những con đường tín hiệu này được chia làm 2 nhóm chính dựa theo cách nó được hoạt hóa. Phần lớn trong số đó được hoạt hóa bởi các chất ngoại bào và có chức năng truyền tin từ bề mặt tế bào vào trong hệ thống tác hiệu. Tuy nhiên, một vài hệ thống đáp ứng thông tin xuất hiện trong lòng tế bào và thường ở dạng tín hiệu chuyển hóa (metabolic messengers). Trong tất cả các lộ trình tín hiệu, thông tin được vận chuyển thông qua sự tương tác trực tiếp giữa các protein với nhau hoặc  thông qua các phân tử truyền tin thứ hai (second messengers). Trong suôt quá trình phát triển, các loại tế bào khác nhau thường có một số lượng lộ trình tín hiệu riêng và sự tương tác chéo lẫn nhau giữa các lộ trình này là điều rất được quan tâm, cũng như các lộ trình này phải phù hợp với chức năng chuyên biệt của nó. Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào các thuộc tính của các lộ trình tín hiệu nội bào quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động sống của tế bào.

Các lộ trình tín hiệu nội bào

Có rất nhiều con đường lộ trình tín hiệu chịu trách nhiệm truyền tin trong tế bào và chúng được chia làm 2 loại chính. Loại đáp ứng với các chất kích thích ngoại bào (neurotransmitter, hormone hoặc GF) nằm trên bề mặt của tế bào, nhận thông tin qua trung gian các thụ thể. Sau đó, các thụ thể này sẽ chuyển thông tin xuyên màng bằng nhiều chất truyền tin khác nhau để tạo thành các lộ trình tín hiệu khác nhau diễn ra bên trong tế bào sau đó (1-16). Hệ thống tín hiệu của phosphoinositide và Calcium được xếp cùng một nhóm bởi vì chúng có chứa một tập hợp các lộ trình thường có sự tương tác với nhau (2-6). Các nhóm lộ trình khác được kích hoạt bởi các tín hiệu phát sinh trong tế bào (17-18). Ngoài ra còn có một lượng lớn các tín hiệu chuyển hóa hoạt động trong tế bào kích thích một lượng lớn các lộ trình tín hiệu khác nhau.

Tất cả những lộ trình tín hiệu này sinh ra các thông tin nội bào và đáp ứng chuyển tiếp thông tin đến các phân tử đích (sensors) rồi sau đó nối kết với các phân tử tác hiệu để sinh ra các đáp ứng nội bào.

Các lộ trình được liệt kê sau đây:

1.      cAMP: Một trong những hệ thống tín hiệu đầu tiên được phân lập. Trong đó, cAMP đóng vai trò là chất truyền tin thứ hai và tham gia vào nhiều hệ thống truyền tin khác nhau. Theo quan niệm này, các chất kích thích ngoại bào được gọi là các chất truyền tin thứ nhất và chúng có vai trò biến đổi cấu trúc adenylyl cyclase (AC) để tạo ra cAMP – một phần của hệ thống tác hiệu theo kiểu thác đổ xuôi dòng (down-stream).

Hình 41.1: Mô phỏng các lộ trình tín hiệu chính yếu tham gia điều hòa quá trình sống của tế bào.

2.      Hệ thống cADP-ribose (cADPR)và nicotinic acid-adenine di nucleotide phosphate (NAADP) có chức năng trong hệ thống truyền tin của calcium thông qua sự đáp ứng của ADP-ribosyl cyclase (ADP-RC).

3.      Voltage-operated channels (VOCs) tham gia vào tín hiệu calcium bằng cách điều khiển dòng calcium nhập bào trong các tế bào dễ bị kích thích (excitable cells).

4.      Receptor-operated channels (ROCs) tham gia vào tín hiệu calcium bằng cách điều khiển dòng calcium nhập bào của cả các tế bào dễ bị kích thích và các tế bào khác (non-excitable).

5.      Hệ hoạt hóa phospholipase C (PLC) để thủy phân PtdIns4,5P2 (hay còn gọi là PIP2) để sinh ra một số các lộ trình tín hiệu sau:

a.       Inositol 1,4,5-trisphosphate (InsP3)/Ca2+

b.      Diacylglycerol (DAG)/protein kinase C (PKC)

c.       PtdIns4,5P2

d.      Hệ thống inositol polyphosphate đa năng (multipurpose).

6.      Hệ PtdIns 3-kinase có chức năng phosphoryl hóa PIP2 thành dạng chất truyền tin thứ hai là PtdIns3,4,5P3 (PIP3).

7.      NO/clyclic GMP: NOS (NO synthase) tạo ra NO hoạt động thông qua hệ thống cGMP và phản ứng nitrosyl hóa. NO đóng vai trò quan trọng trong việc điều biến hoạt động của các hệ thống tín hiệu khác, như của hệ Ca2+ chẳng hạn.

8.      Hệ thống Redox (oxi hóa khử). Rất nhiều thụ thể hoạt động thông qua NADPH oxidase (NOX) để hình thành nên nguyên tử Oxy hoạt hóa (như trong phân tử H2O2 chẳng hạn), có tác dụng điều hòa hoạt động của các loại protein tín hiệu đặc biệt như tyrosine phosphatases, yếu tố phiên mã và các kênh ion. Các nguyên tử Oxy hoạt hóa cũng tham gia trong phản ứng nitrosyl hóa trong hệ thống 7.

9.      Hệ thống MAPK. Nhóm này là ví dụ điển hình của dòng thác phosphoryl hóa các protein bắt đầu đa phần bởi Ras và bao gồm một số lượng các lộ trình tín hiệu song song nhau có vai trò điều khiển nhiều hoạt động của tế bào và liên quan đặc biệt tới sự tăng trưởng của tế bào, sự stress tế bào và apoptosis.

10.  Hệ thống NF-κB có vô số chức năng khác nhau. Nó đóng vai trò quan trọng trong các đáp ứng viêm của macrophages và neutrophils và như là một phần của các đáp ứng miễn dịch bẩm sinh chống lại các pathogen.

11.  Phospholipase D (PLD) là hệ thống tín hiệu phụ thuộc lipid có liên quan đến sự thủy phân của phosphatidylcholine để cho ra phosphatidic acid (PA), chất này đóng vai trò là chất truyền tin thứ hai trong các quá trình điều hòa của tế bào.

12.  Sphingomyelin được thủy phân bởi các yếu tố tăng trưởng (Growth factors) và cytokines để tạo các chất truyền tin thứ hai có các tác dụng đối lập nhau trong tế bào. Ceramide có vẻ như tham gia vào quá trình apoptosis, ngược lại sphingosine 1-phosphate (S1P) hoạt hóa sự tăng trưởng của tế bào. S1P cũng có thể giải phóng Ca2+ từ lưới nội bào chất hoặc đóng vai trò là tác chất có khả năng gắn vào thụ thể khi được giải phóng khỏi tế bào,… do vậy cơ chế hoạt động của nó cũng rất phức tạp.

13.  Janus kinase (JAK)/hoạt hóa tín hiệu và là chất kích thích của con đường phiên mã STAT. Đây là hệ thống truyền tin nhanh từ bề mặt tế bào vào trong nhân. JAKs là những tyrosine kinase có khả năng phosphoryl hóa dòng thác tín hiệu và hoạt hóa các yếu tố phiên mã (STATs).

14.  Hệ thống Smad. Lộ trình tín hiệu này đóng vai trò trung gian trong hoạt động của siêu họ TGF-β trong quá trình phiên mã thông qua các yếu tố phiên mã Smad.

15.  Lộ trình tín hiệu của Wnt có vai trò quan trọng trong cả sự tăng trưởng và phát triển của tế bào.

16.  Lộ trình tín hiệu Hedgehog tương đồng với lộ trình của Wnt và cũng có chức năng điều hòa sự tăng trưởng và phát triển của tế bào. Ligand của Hedgehog (Hh) hoạt động thông qua yếu tố phiên mã GLI.

17.  Notch là một lộ trình tín hiệu có tính bảo tồn cao, có vai trò quan trọng trong các quá trình phát triển liên quan tới việc quyết định số phận của tế bào trong các tế bào gốc. Các thụ thể Notch tạo ra các yếu tố phiên mã NICD (Notch intracellular domain).

18.  Tín hiệu của lưới nội chất trong các quá trình stress có vai trò chuyển thông tin đến nhân về tình trạng tổng hợp protein trong lưới nội chất hạt.

19.  Lộ trình tín hiệu của AMP được điều hòa bởi AMP đóng vai trò như một dạng tín hiệu chuyển hóa, có vai trò hoạt hóa các lộ trình quan trọng trong việc điều khiển sự biệt hóa của tế bào.

Ngoài ra còn một số lộ trình tín hiệu khác nữa có các chức năng chuyên biệt trong quá trình điều hòa các hoạt động chuyển hóa của tế bào, như là quá trình sinh tổng hợp cholesterol để điều chỉnh lượng cholesterol trong màng tế bào. Hoặc như lộ trình tín hiệu của NAD, NAD+ có vai trò điều hòa các quá trình nội bào như sự chuyển hóa năng lượng, sự phiên mã gene, sửa chữa DNA và các quá trình liên quan đến tuổi già.

Lộ trình tín hiệu của cAMP

Hình 41.2: Mô phỏng sơ khai hoạt động thông qua cAMP.

cAMP là một chất truyền tin thứ hai hiện diện ở tất cả các cơ quan trong cơ thể và tham gia vào vô số các quá trình điều hòa của tế bào. Sự hình thành cAMP thường phụ thuộc vào sự hoạt hóa protein G (G-protein coupled receptors – GPCRs).

Protein G là một dị trimer hóa protein, bao gồm một họ protein được phân loại dựa vào cách nó liên kết với màng tế bào và cơ chế hoạt hóa nó. Họ protein này giúp hoạt hóa enzyme adenylyl cyclase (AC). Có một vài chất tác hiệu tín hiệu cAMP (cAMP signalling effectors) như protein kinase A (PKA), exchange proteins activated by cyclic AMP (EPACs) có khả năng hoạt hóa GTP-binding protein Rap1 và cyclic nucleotide gated channels (CNGCs). Các chất tác hiệu này sau đó biến thông tin chức năng của cAMP thành các đáp ứng, như sự chuyển hóa năng lượng, sự phiên mã gene và hoạt động của các kênh ion. Trong nhiều trường hợp, những chức năng này được điều biến (modulation), cAMP sẽ hoạt động như một chất thiết lập hoạt động của các lộ trình tín hiệu khác và do vậy nó đóng vai trò trung tâm trong sự chồng lấp (cross-talk) giữa các lộ trình tín hiệu với nhau. Chức năng điều biến này cũng thể hiện rõ ở các chuỗi tín hiệu của Ca2+ trong cả tế bào thần kinh và tế bào cơ. Nhiều hoạt động của cAMP phụ thuộc vào vị trí chính xác của PKA, liên quan tới cả các chất tác hiệu ngược dòng (upstream) và xuôi dòng (downstream). Một họ A-kinase-anchoring protein (AKAPs) quyết định sự định cư trong tế bào của PKA cũng như là số lượng thành phần của lộ trình tín hiệu. Các phản ứng OFF – ngắt tín hiệu có vai trò giảm cAMP thông qua quá trình thủy phân cAMP hoặc đưa cAMP ra ngoài tế bào.

Bảng 41.1: AC từ 1 đến 9 được phân bố rộng rãi. Nó có nhiều trong não nhưng cũng phân bố trong nhiều loại tế bào khác. AC10 chỉ có mặt ở tinh hoàn. Hoạt động chức năng điều hòa của AC1-AC9 thông qua G proteins. Tất cả AC được kích hoạt bởi Gαs nhưng chỉ có một số bị bất hoạt bởi Gαi. Tiểu đơn vị βγ cũng có khả năng hoạt hóa vài loại AC và bất hoạt các AC còn lại.  Một vài AC được điều biến bởi một số lộ trình tín hiệu khác như của Ca2+ và PKC. Một vài lại bị bất hoạt bởi PKA do vậy tạo ra vòng tác hồi âm, khiến cho cAMP có thể ức chế chính sản phẩm của nó.

Sự hình thành cAMP

cAMP có thể được tạo thành từ sự kích thích của rất nhiều tác chất khác nhau, mà thông thường là neurotransmitter và hormones. Tất cả các chất kích thích đều tác động thông qua hệ thống GPCRs, có vai trò hoạt hóa hay ức chế enzyme adenylyl cyclase (AC). Trong trường hợp hoạt hóa AC, guanine nucleotide exchange factor (GEF) sẽ thay thế GDP bằng GTP tại tiểu đơn vị α, rồi phân ly tiểu đơn vị này khỏi phức hợp βγ, và tiểu đơn vị αs.GTP sẽ hoạt hóa AC (ngược lại, αi.GTP sẽ ức chế AC). Sau đó, GTPase trên tiểu đơn vị α sẽ thủy phân GTP thành GDP, protein được tái cấu trúc và quá trình hoạt hóa AC kết thúc.

Độc tố tả (cholera toxin) xúc tác đồng hóa trị sự biến thể của Gsα. ADP-ribose được chuyển từ NAD+ thành arginine tại vùng hoạt động của GTPase của Gsα. Sự ADP-ribosyl hóa ngăn sự thủy phân của GTP (prevents GTP hydrolysis) bởi Gsα. Do vậy stimulatory G-protein được hoạt hóa lâu dài.

Độc tố ho gà (whooping cough disease) xúc tác sự ADP-ribosyl tại cysteine của Giα làm nó không thể chuyển GDP thành GTP. Con đường inhibitory bị khóa.

Adenylyl cyclase (AC)

Họ AC bao gồm 10 loại: 9 loại trong số đó là các protein bám màng (1-9), loại thứ 10 tan trong bào tương. Cấu trúc domain của AC1-AC9 tương đối giống nhau. Hai domain lớn nằm trong bào tương là C1 và C2 có chứa vùng xúc tác, tạo thành cấu trúc dị dimer hóa và đồng tác dụng với nhau để chuyển ATP thành cAMP.

Hình 41.3: Cấu trúc domain của adenylyl cyclase (AC). AC1-AC9 có cấu trúc domain giống nhau. Một chuỗi peptide đơn tạo thành các domain xuyên màng (TM), trong đó TM1-TM6 được tập hợp lại cùng nhau, tương tự đối với TM7-TM12. Mỗi TM đều có đều có C1 và C2 – có chứa vùng xúc tác để chuyển ATP thành cAMP. Lưu ý là AC10 không có vùng xuyên màng nhưng vẫn có C1 và C2 nên vẫn có chức năng xúc tác.

Các chất tác hiệu thông tin cAMP

cAMP là một tín hiệu nội bào có sự linh hoạt cao và có khả năng hoạt hóa nhiều chất tác hiệu khác nhau. Một trong những ví dụ của các chất tác hiệu loại này là exchange proteins activated by cyclic AMP (EPACs), có vai trò hoạt hóa Rap. Một nhóm tác hiệu khác là cyclic nucleotide-gated channels (CNGCs) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cảm nhận mùi và vị giác. Tuy nhiên, hầu hết các hoạt động của cAMP đều thông quá protein kinase A (PKA).

Hình 41.4: Tổ chức và chức năng của lộ trình tín hiệu cAMP. cAMP được hình thành từ hệ thống AC bám màng tế bào và cả AC hòa tan nhạy cảm bicarbonate. Sự hình thành được điều hòa cả bởi các agonists hoạt hóa hoạt động thông qua tiểu đơn vị αs và cả agonist bất hoạt αi hay tiểu đơn vị βγ. Nồng độ cAMP gia tăng nhanh chóng và thực hiện chức năng thông qua ba hệ thống tác hiệu khác nhau. Trong đó, chức năng chính của cAMP là hoạt hóa PKA để phosphoryl hóa một lượng lớn các yếu tố trung gian thuận chiều. Một vài quá trình dẫn đến sự phiên mã gene thông qua hoạt động của cAMP respone element-binding protein (CREB) và hoạt hóa các kênh ion (như thụ thể AMPA và CFTR). Các yếu tố trung gian thuận chiều khác cũng có thể là cGMP phosphodiesterase (cGMP PDE), phospholamban (PLN) điều khiển sarco/endo-plasmic reticulum Ca2+-ATPase (SERCA),thụ thể ryanodine (RYR) vàkênh Ca2+ CaV1.1 and CaV1.2

Protein kinase A (PKA)

Nhiều hoạt động của cAMP cần sự tham gia của PKA – có chức năng phosphoryl hóa tại những vị trí đặc hiệu của quá trình tác hiệu xuôi dòng.

Protein kinase A (protein kinase phụ thuộc cAMP) chuyển gốc Pi từ ATP đến gốc hydroxyl của nhóm serine hoặc threonine, đây là phần đặc thù của trình tự 5-amino acid chuyên biệt. Protein kinase A tồn tại ở trạng thái tĩnh (resting state) ở cấu trúc như sau:

-          2 tiểu đơn vị điều hòa (R).

-          2 tiểu đơn vị thủy phân (C).

Hình 41.5: Lượt đồ trình bày“OTR illustrating putative potential phosphorylation sites”. The putative phosphorylation targets are indicated as (1) calmodulin II kinase (CaM II K), (2) protein kinase C (PKC), (3) cAMP-dependent protein kinase A (PKA), (4) casein kinase Ia(CK-I) and (5) cGMP-dependent protein kinase G (PKG).

Bình thường, mỗi tiểu đơn vị điều hòa của protein kinase A có chứa trình tự pseudosubstrate (cơ chất giả) có thể so sánh được được với vùng chất nền (substrate domain) của protein đích của protein kinase A, nhưng trong cấu trúc của nó alanine thay thế cho serine hay threonine. Vùng pseudosubtrate của tiểu đơn vị điều hòa thiếu gốc hydroxyl do vậy không phosphate hóa được, gắn vào vùng hoạt động (active site) của tiểu đơn vị thủy phân và khóa hoạt động của nó.

Khi mỗi tiểu đơn vị điều hòa liên kết với 2cAMP, sự thay đổi cấu trúc của vùng này sẽ dẫn đến việc giải phóng tiểu đơn vị thủy phân. Hai tiểu đơn vị này sau đó có thể phosphoryl hóa thủy phân hóa serine hoặc threonine của protein đích.

R2C2 + 4cAMP à R2cAMP4 + 2C

Hình 41.6: Sơ lược sự hoạt hóa PKA

Lưu ý rằng, PKIs (protein kinase inhibitors) điều hòa hoạt động của tiểu đơn vị C.

Protein kinase AI và Protein kinase AII

Đối với protein kinase AI, tiểu đơn vị  RI có ái lực rất thấp với AKAPs do vậy chúng thường có khả năng tan. cAMP sẽ hoạt động bằng cách gắn vào bộ đôi (tandem) cyclic AMP-binding domains để giải phóng tiểu đơn vị C hoạt động và sau đó phosphoryl hóa các cơ chất đặc biệt. Khi tiểu đơn vị RI có ái lực gắn với cAMP cao hơn, PKA I sẽ có thể đáp ứng với nồng độ thấp cAMP trong bào tương.

Trong khi đó, PKA II  có ái lực cao hơn với A-kinase-anchoring protein (AKAPs) do vậy nó thường được cố định vào các protein này và có vị trí cố định, đặc hiệu hơn với các mục tiêu chuyên biệt.

Hình 41.7: Có hai loại PKA, chúng khác nhau ở tiểu đơn vị R liên kết với tiểu đơn vị C. Tiểu đơn vị R có 4 thể (RIα, Riβ, RIIα và RIIβ) có ái lực khác nhau đối với cAMP và khả năng kết hợp với A-kinase-anchoring protein (AKAPs).

Các cơ chất được phosphoryl hóa bởi cAMP được chia làm hai nhóm chính: Cơ chất cAMP điều hòa các quá trình đặc hiệu của tế bào và cơ chất cAMP tham gia vào hệ thống tín hiệu khác.

Các cơ chất cAMP điều hòa các quá trình đặc hiệu của tế bào:

-          Ở neurons, cAMP hoạt động thông qua PKA để phosphoryl hóa Ser-845 trên thụ thể AMPA.

-          cAMP hoạt động thông qua PKA kích hoạt fructose-2,6-bisphosphase để làm giảm nồng độ fructose 2,6-bisphosphate do đó làm giảm sự đường phân và tăng cường tân tạo đường.

-          Ở tế bào β tiết insulin, salt-inducible kinase 2 (SIK2) - chất điều hòa sự phosphoryl hóa của protein điều hòa CREB (TORC)bị bất hoạt bởi cAMP/PKA-dependent phosphorylation.

-          PKA phosphoryl hóa lipase nhạy cảm với hormone (HLS), khởi đầu sự thủy phân triacylglycerol thành acid béo tự do và glycerol trong cả tế bào mỡ vàng và tế bào mỡ nâu.

-          PKA phosphoryl hóa phosphorylase kinase để chuyển dạng bất hoạt phosphorylase b thành dạng hoạt hóa phosphrylase a trong cơ bám xương và trong tế bào gan.

-          PKA hoạt hóa yếu tố phiên mã cAMP response element-binding protein (CREB). Sự hoạt hóa này là một phản ứng tức thì (critical) trong sự cảm ứng của quá trình tân tạo đường trong tế bào gan.

-          PKA bất hoạt salt-inducible kinase 2 (SIK2 - chất thường hoạt động như là một chất phosphoryl hóa TORC2 do vậy ngăn chặn sự xâm nhập vào nhân của CREB.

-          PKA phosphoryl hóa inhibitor 1 (I1) giúp quá trình phosphoryl hóa protein được xảy ra bằng cách bất hoạt protein phosphatase 1 (PP1).

-          PKA góp phần vào quá trình chuyển vị và hòa nhập của các túi tiết trong sự bài tiết HCl của tế bào thành.

-          PKA phosphoryl hóa domain điều hòa (R) của cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) để cho phép nó hoạt động như là một kênh ion.

-          Trong ruột non, PKA phosphoryl hóa kênh CFTR để hoạt hóa sự tiết dịch. Sự hoạt hóa không ngừng cAMP bởi độc tố tả gây ra bệnh tả.

-          Trong ống góp của thận, cAMP hoạt động thông qua PKA để phosphoryl hóa Ser-256 trên đầu C trong tế bào chất của aquaporin 2 (AQP2), hoạt hóa kênh này hấp thu nước vào tế bào.

-          Trong tiểu cầu, cAMP hoạt hóa sự phosphoryl hóa của phosphoprotein hoạt hóa giãn mạch (vasodilator-stimulated phosphoprotein – VASP), là thành viên của họ Ena/vasodialator-stimulated phosphoprotein (VASP) dẫn đến giảm quá trình kết tụ tiểu cầu phụ thuộc actin.

Các cơ chất cAMP tham gia vào hệ thống tín hiệu khác:

-          Sự phosphoryl hóa GMP phosphodiesterase PDE1A bởi PKA dẫn đến giảm sự nhảy cảm của nó đối với sự hoạt hóa Ca2+.

-          Sự nhập bào của Ca2+ thông qua kênh CaV1.1 týp L và kênh CaV1.2 typ L được tăng cường bởi sự phosphoryl hóa phụ thuộc PKA.

-          Sự phosphoryl hóa phụ thuộc PKA của dopamine- và cAMP-regulated phosphoprotein of molecular mass 32kDa (DARPP-32) (đóng vai trò như các phân tử công tắc) để điều hòa hoạt động của protein phosphatase 1 (PP1).

-          Thụ thể ryanodine 2 (RYR2) được điều biến bởi sự phosphoryl hóa thông qua PKA có liên quan tới đầu bào tương thông qua AKAP.

-          Sarco/endo-plasmic reticulum Ca2+-ATPase 2a (SERCA2a) tăng hoạt kênh Ca2+ khi tác dụng bất hoạt của phospholamban (PLN) bị loại bỏ thông qua sự phosphoryl hóa của nó bởi PKA trên Ser-16.

Salt-inducible kinase 2 (SIK2)

Salt-inducible kinase 2 (SIK2) có chức năng phosphoryl hóa yếu tố điều hòa của CREB (TORC2) do vậy ngăn chặn nó đi vào trong nhân để hoạt hóa yếu tố phiên mã CREB. Nó hoạt động trong tế bào gan và tế bào β của tụy.

Exchange proteins activated by cAMP (EPACs)

EPACs là một trong những tác mục của cAMP. EPACs có vai trò hoạt hóa Rap1 – có nhiều chức năng trong tế bào, hầu hết liên quan tới sự kiểm soát động học của sợi actin. Hơn nữa, con đường EPAC/Rap có thể hoạt hóa phospholipase Cε (PLCε).

Chức năng của lộ trình tín hiệu cAMP

Lộ trình tín hiệu cAMP điều khiển một lượng lớn các quá trình nội bào, ví dụ như sau:

-          cAMP có hoạt động kháng viêm mạnh bởi sự ức chế hoạt động của macrophages và dưỡng bào (mast cell).

-          Thụ thể melanocortin 4 (MC4Rs) trên neuron thứ hai (second-order) sử dụng lộ trình tín hiệu cAMP để tổng hợp lên các yếu tố phiên mã hạ đồi (hypothalamic transcription factor) single-minded 1 (Sim1) làm giảm lượng thức ăn đưa vào cơ thể và gây giảm cân.

-          cAMP có vai trò trung gian đối với các hormone ưa lipiad trong tế bào mỡ vàng bằng cách hoạt hóa lipase nhạy cảm hormone (hormone-sensitive lipase).

-          Sự sinh nhiệt của tế bào mỡ nâu được điều hòa bởi hoạt động của noradrenaline qua hoạt động của cAMP.

-          Sự hoạt hóa của DARPP-32 cùng phối hợp với hoạt động của lộ trình tín hiệu của dopamine và glutamate trong neuron tủy trung gian (medium spiny neurons).

-          Sự phân hủy glycogen cảm ứng adrenaline (adrenaline-induced glycogenolysis) trong tế bào cơ bám xương phụ thuộc vào sự phosphoryl hóa phụ thuộc cAMP của phosphorylase kinase.

-          Sự hoạt hóa của các yếu tố phiên mã phụ thuộc AMP (CREB) góp phần điều hòa sự tổng hợp glucagon trong tế bào α tụy.

Sự phân giải cAMP

Có hai cách “ngắt” phản ứng của cAMP. Cụ thể:

-          Sự thủy phân cAMP thành AMP dưới tác dụng của phosphodiesterase.

-          cAMP được đưa ra khỏi tế bào bằng ABCC4, một loại ATP-binding cassette (ABC) transporter.

GTP-binding protein

Có rất nhiều loại GTP-binding protein và thường được biết dưới dạng G proteins. Các protein này có vai trò quan trọng trong chuỗi tín hiệu của tế bào, được ví như phân tử công tắt (switch). Ngoài ra, G protein còn được gọi là GTPases và tính chất ngắt-mở của nó phụ thuộc vào sự chuyển đổi của GTP và GDP. Bình thường nó liên kết với GDP và ở trạng thái bất hoạt. Khi GTP thay thế cho GDP thì phức hợp G protein/GTP được hoạt hóa và chuyển thông tin theo chuỗi tín hiệu cho đến khi nào GTPase nội sinh thủy phân GTP thành lại GDP như ban đầu.

G protein có 2 nhóm chính, nhóm dị trimer hóa và nhóm monomer protein. Chúng có chức năng khác nhau và cũng không chồng chéo lên nhau.

Heterotrimeric G proteins

Hình 41.8: sự truyền tin thông qua “công tắc” G protein. Tất cả các G protein hoạt động theo cơ chế công tắc và trung tâm là sự thay đổi vị trí cho nhau của GTP/GDP. Lưu ý, công tắc được bật sang “nút ON” sẽ dễ dàng hơn dưới tác động của các guanine nucleotide exchange factors (GEFs) – các yếu tố nhận thông tin từ thụ thể trên bề mặt tế bào. Ngược lại, GTPase-activating proteins (GAPs) có liên quan đến các phản ức bật công tắc sang “nút OFF” vì tăng cường hoạt động thủy phân GTP trở lại thành GDP.

G protein dị trimer hóa hoạt động dưới dạng G protein-coupled receptor (GPCRs), có vai trò hoạt hóa nhiều chuỗi lộ trình tín hiệu. Những protein loại này được tạo thành từ 16 gene cho tiểu đơn vị α, 5 gene cho tiểu đơn vị β và 11 gene γ. Các tiểu đơn vị khác nhau được phân loại dựa vào sự giới hạn lipid (lipid modifications) có chức năng neo giữ chúng lại vào màng tế bào, cố định chúng và xác định thông tin từ bên ngoài. Tiểu đơn vị α có gắn gốc palmitoyl hoặc gốc myristoyl ở cạnh đầu tận N còn phức hợp βγ thì gắn với prenyl. G protein dị trimer hóa là một yếu tố truyền tin hết sức đa năng và tiểu đơn vị α cũng như phức hợp βγ đều có khả năng chuyển tiếp thông tin.

Ở trạng thái trimer hóa, G-protein bám vào mặt trong của màng tế bào thông qua đuôi kị nước của tiểu đơn vị α và γ (myristoyl và palmitoyl trên α, farnesyl hoặc geranylgeranyl trên γ). Tiểu đơn vị β và γ được nối lại với nhau bởi liên kết giữ lõi với lõi để tạo nên βγ-dimer; tiểu đơn vị β của βγ-dimer này sẽ bám vào tiểu đơn vị α bằng theo kiểu bổ sung ở vùng liên kết peptide trên 2 protein và sự tương tác với đuôi kị nước. Khi G-protein được kích hoạt, liên kết giữa tiểu đơn vị α và β bị đứt, trimer bị phân ly thành tiều đơn vị monomeric α và tiểu đơn vị dimeri βγ. Tiểu đơn vị α và βγ đều bám vào màng tế bào nhưng cũng dễ dàng tách khỏi màng khi cần.

Hình 41.9: Mô tả cấu trúc G-protein (Theo Textbook of Receptor Pharmacology 2nd ed - J. Foreman_ T. Johansen)

Tiểu đơn vị α có 2 vùng chức năng quan trọng khác ngoài vùng để nối kết với tiểu đơn vị β.

Một là, tiểu đơn vị α tác động với thụ thể ở vị trí 5 amino acid cuối của đầu C tận. Hai là nó mang vùng gắn kết với guanine nucleotide binding pocketđể thực hiện chức năng GTPase của G-protein. Mặc khác, cả 2 tiểu đơn vị α và βγ đều có thể  tác động đến bề mặt tác động của G-protein.

Sự xáo trộn của chu trình G-Protein

Chu trình của G-protein có thể bị xáo trộn bởi những con đường sau:

1. Sự đảo của chu trình dựa vào sự thủy phân của γ-phosphate của GTP. Điều này xảy ra khi một dẫn xuất của GTP nối kết vào thụ thể nhưng không có khả năng thủy phân hay thủy phân chậm nối kết với tiểu đơn vị. Ví dụ,5′-guanylylimidophosphate (Gpp(NH)-p) hay guanosine 5′-O-(3-thiotriphosphate)(GTPγS),hay thêm vào AlF4, tạo các triphosphate giả (pseudo phosphate) trên  GDP trong Gα-GDP. Trong những điều kiện này, sự hoạt hóa các chất tác hiệu trở thành không thuận nghịch. Thụ thể được kích hoạt sẽ xúc tác chu trình G-protein, về bản chất cũng giống như khi có ligand kết nối nhưng chậm hơn từ 100 đến 1000 lần. Khi thiếu sự kích hoạt thụ thể bởi ligand, chu trình cơ bản chậm sẽ xảy ra. Nguyên nhân có thể là vì  phần nhỏ của thụ thể  hiện diện trong thể hoạt động ngay cả khi thiếu ligand. Kết quả là, sự thay đổi Gpp(NH)-p hay GTPγS bởi GTP hay sự có mặt của AlF4 đóng vai trò tạo ra các đáp ứng tác hiệu (effector response) trong khi thiếu ligand thụ thể. Tuy vậy, sự kích hoạt vẫn chậm hơn khi có sự hiện diện của ligand.

Hình 41.10: Minh họa một số cấu trúc (Theo Textbook of Receptor Pharmacology 2nd ed - J. Foreman_ T. Johansen)

2. Chu trình có thể chậm lại khi thêm vào những GDP dư thừa hay, guanosine

5′-O-(2-thiodiphosphate) (GDPβS) – một dẫn xuất ổn định hơn. Không giống GTPγS, GDPβS có liên kết thuận nghịch nên nó chỉ cạnh tranh với GTP. Do vậy nó sẽ chỉ hoạt động ở nồng độ cao hơn tiêu chuẩn từ 10 lần trở lên.

3.Khi có sự hiện diện của NAD+, tiểu đơn vị α của G-protein có thể bị ADP-ribosylated bởi 2 loạiProtein vi khuẩn. Độc tố của vi khuẩn ho gà (whooping-cough) (PTx) ADP-ribosylates cysteine ở đầu C tận của G-protein của  nhóm Gi và Go ngăn cản sự bắt gặp của G-protein thụ thể và năng chặn sự hoạt hóa GPCR. N-ethyl-maleimide (NEM) cũng alkyl hóa cysteins theo cùng cơ chế.

Độc tố dịch tả (CTx) ADP-ribosylates arginine trong G-proteins của lớp Gs (adenylate cyclase-stimulating) ở gần vị trí  GTPase. Nó làm ngăn cản chức năng của GTPase xúc tác và gây ra sự hoạt hóa Gs/adenylate cyclase  lâu dài. Tranducin và gustducin (tín hiệu nhìn và nếm) đều được ADP-ribosylated bởi cả 2 loại độc tố trên. Phản ứng này có thể được dùng để phân lập các G-protein có thể bị ADP-ribosylated.

Sự điều hòa tín hiệu G-protein

RGS Protein

RGS protein thuộc họ các protein liên kết lỏng lẻo giống nhau ở vị trí RGS 130 amino acid cho phép chúng bám vào tiều đơn vị α của G-protein. Khi RGS protein bám vào, nó điều hòa tín hiệu G-protein theo 2 cách. Cách thứ nhất (quan trọng nhất), nó có vai trò như GAPs (protein kích hoạt GTPase), tăng cường sự thủy phân GTP (khoảng 1000 lần) bằng cách hoạt hóa G-protein, sau đó chúng kích hoạt Gα-GTP hay Gβγ  tăng cường sự khôi phục của các phần tử tác hiệu (effector). RGS protein không ảnh hưởng đến tỉ lệ GDP-GTP và tỉ lệ G-protein được kích hoạt bởi thụ thể. Cách thứ 2. RGS protein làm giảm khả năng bám của GαGTP vào các phần tử tác hiệu, ngăn chặn phản ứng. Ta có thể thấy tiểu đơn vị α được kích hoạt bở GTPγS không thủy phân được. Ví dụ, RGS protein, RGS4, ngăn cản sự đáp ứng của PLC-β1đối với GTPγS kích hoạt Gq.

Có rất nhiều loại RGS protein vì vậy cũng có rất nhiều độ chọn lọc cho từng tiểu đơn vị α và cũng có nhiều tác động lên từng hệ thống tác động khác. Những thuộc tính này thường được đánh giá trong hệ thống biểu hiện khôi phục. Hiện nay vai trò của RGS protein riêng biệt trong tế bào vẫn chưa được rõ. Nhưng người ta đã biết rõ chức năng của RGS trong hiện tượng phototransduction (khi mà RGS9 hoạt động sẽ thúc đẩy sự thủy phân GTP bởi Gαt)

Một trong những điều thú vị của vấn đề này đó là sự liên kết giữa RGS protein và tiểu đơn vị α  có thể bị phá vỡ bởi điểm đột biến trên tiểu đơn vị α mà không ảnh hưởng đến chức năng của Gα. Sự kết hợp đột biến này với đột biến khác giúp loại bỏ tính nhạy cảm của PTx (hình 7.10). RGS protein nội sinh có vai trò trong việc ức chế dòng Ca2+ trong thần kinh giao cảm bởi Go được kích hoạt bởi noradrenaline. Ví dụ: sự thay thế Goα bằng Goα đột biến giúp giảm sự nhạy cảm của noradreanaline đi 10 lần và làm chậm quá trình khởi động và khôi phục sự ức chế. Tuy nhiên, vấn đề này liên quan đến khả năng hoàn nguyên của hệ gene.

Hình 41.11: Minh họa một số vai trò của RGS protein

Protein hoạt hóa GTPase hoạt động như một phân tử tác hiệu

Enzyme có vai trò như GAP - tăng cường sự thủy phân GTP, điều khiển  sự bất hoạt nhanh của các ezyme được hoạt hóa bởi G-protein. Ví dụ, Gαq-GTP thuần có hoạt tính GTPase rất yếu (tiêu tốn 10-60s) nhưng hoạt tính này sẽ tăng lên 50 lần khi có mục tiêu tác hiệu của nó, như PLC-β1 chẳng hạn, điều nay làm cho chu kì bán hủy hoạt tính sinh học của nó chỉ kéo dài trong 1s. Như thế, sự thêm vào phosphodiesterase rút ngắn chu kì bán hủy của GTP-bound α-transducin từ 20s xuống còn 5s. Tác dụng tăng cường của phosphodiesterase kết hợp với tác động visual RGS được đề cập ở trên. Các tác hiệu của kênh ion có vai trò như GAP khi thiếu RGS protein vẫn chưa rõ cơ chế.

Có một số loại G protein receptor kinase (GRKs) như là β-adrenegic receptor kinase 1 (βARK1) chẳng hạn  có khả năng phosphoyl hóa hoạt hóa thụ thể để tạo vị trí gắn cho arrestin để ngăn chặn heterotrimeric protein gắn vào thụ thể và dẫn đến sự giải nhạy cảm thụ thể (receptor desensitization).

Một số chuỗi truyền tín hiệu của Gα/GTP và Gβγ được liệt kê sau đây:

-          Tham gia vào lộ trình tín hiệu của cAMP (đã đề cập ở trên)

-          Hoạt hóa phospholipase Cβ (PLCβ) trong chuỗi lộ trình của inositol 1,4,5-trisphosphate (InsP3)/Ca2+ signaling cassette.

-          Điều biến họ tín hiệu CaV2 týp N và kênh P/Q.

-          Hoạt hóa lộ trình tín hiệu của PtdIns 3-kinase.

-          Hoạt hóa phosphodiesterase 6 (PDE6) ở các thụ thể kích thích bởi ánh sáng (photoreceptor).

-          G-αgus hay còn được gọi là gustudin, có chức năng quan trọng trong các tế bào cảm thụ cảm giác và các tế bào L có chức năng nhận biết thành phần của thức ăn trong khoang (lumen) của ruột non.

Monomeric G protein

Monomeric GTP-binding proteins thuộc về một họ protein lớn gồm 150 thành viên. Ras là thành viên được tìm thấy đầu tiên. Họ protein này bao gồm 5 tiểu họ là Ras, Rho, Rab, Ran và ADP-ribosylation factor (Arf). Tiểu họ Ran có chức năng quan trọng trong sự vận chuyển của nhân (nuclear transport), ngược lại tiểu họ Rab có vai trò quan trọng trong sự vận chuyển màng tế bào (membrane trafficking). Tiểu họ Ras và Rho liên quan đến chuỗi thông tin tế bào và nó đóng vai trò như một công tắc để điều khiển các hệ thống lộ trình tín hiệu. Khi công tắc này gắn kết với GTP nó sẽ biểu hiện phản ứng ON và sau đó sẽ xảy ra phản ứng thủy phân hóa GTP bởi GTPase nội sinh. Các nghiên cứu hiện nay chỉ tập trung ở các cơ chế hoạt động của:

-          Ras

-          Rho

-          Rac

-          Cdc42

Hình 41.12: Mô tả chức năng của G protein. Các ligand bám vào thụ thể của protein G đóng vai trò như một GEFs, chúng chuyển GDP ở tiểu đơn vị α thành GTP và sau đó sẽ xảy ra hiện tượng thay đổi cấu trúc của protein G, kết quả là sinh ra các phản ứng hoạt hóa hoặc ức chế các hệ thống lộ trình tín hiệu. Hầu hết các phản ứng đều là kích thích, một vài có chức năng ức chế (biểu hiện ở mũi tên màu vàng hướng xuống). RGS có chức năng như GAPs, kích hoạt hoạt động của GTPase ở tiểu đơn vị α và sinh ra phản ứng thủy phân để bất hoạt sự kích thích hay bất hoạt lộ trình tín hiệu. G protein receptor kinase (GRK) phosphoryl hóa hoạt hóa thụ thẻ và tạo điểm gắn cho arrestin sẽ dẫn tới sự giải nhạy cảm thụ thể bằng cách ngăn không cho G protein gắn vào thụ thể.

Cơ chế tín hiệu của Ras

Ras là một GTPase phân tử nhỏ, M = 21kDa, là một phân tử quan trọng trong nhiều hệ thống tín hiệu khác nhau. Ban đầu nó được xác định là một phân tử điều hòa của thụ thể tyrosine kinase trong dòng thác lộ trình tín hiệu của MAPK (mitogen-activated protein kinase). Ngày nay người ta còn tìm ra được các cơ chế vận hành của nó trong các lộ trình khác. Giống như G protein, Ras cũng hoạt động theo cơ chế “công tắc” dựa vào GTP/GDP, điều này khiến ta phải đặt ra 2 câu hỏi: Cơ chế “công tắc” được điều hòa như thế nào và thông tin được chuyên biệt hóa khỏi các hệ thống tín hiệu khác ra sao? Mấu chốt của câu hỏi thứ nhất nằm ở phân tử RasGEFs (Ras guanine nucleotide exchange factors) như là Son-of-sevenless (SoS), Ras guanine nucleotide release-in-ducing factors (RasGRFs) và Ras guanine nucleotide releasing proteins (RasGRPs). Sự chuyển đổi phức hợp Ras.GDP thành Ras.GTP bị bất hoạt bởi protein kiềm hãm khối u (tumour suppressor protein) có tên là merlin. Và cần lưu ý rằng neurofibromatosis týp 2 là nguyên nhân gây ra đột biến protein merlin.

Hình 41.13: Chức năng của Ras G protein trong sự truyền tin của tế bào. Ras đóng vai trò quan trọng, nó như là một chất truyền tin từ nhiều kích thích đến từ bên ngoài tế bào thông qua các đáp ứng phụ thuộc vào Ras. Khi gắn với GDP, Ras bị bất hoạt. Khi tế bào kích thích hoạt động của các GEFs khác nhau như là SoS, RASGRF và RasGRP để chuyển đổi GDP thành GTP thì phức hợp Ras.GTP được tạo thành và sau đó sinh ra chuỗi truyền tín hiệu phía sau. Hoạt động của Ras bị giới hạn bởi nhiều GAPs, có liên quan tới khả năng thủy phân GTP thành GDP.

Có nhiều loại RasGAPs tham gia vào phản ứng OFF vì nó đẩy nhanh sự thủy phân GTP thành GDP. Các RasGAPs loại này bao gồm p120 RasGAP, neurofibromin, synGAP, Ca2+-promoted Ras inactivator (CAPRI) và Ras GTPase-activating-like (RASAL). Chức năng của CAPRI và RASAL đang rất được quan tâm vì nó là những protein nhạy cảm với Ca2+ có khả năng chuyển vị (translocate) nhanh chóng tới màng tới bào thông qua domain C2 khi mà có sự tăng nồng độ Ca2+. SynGAP biểu hiện chủ yếu trong não và được hoạt hóa bởi Ca2+ thông tác động phosphoryl hóa của Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII). Ca2+ có vai trò quan trọng trong việc điều biến hoạt động của RasGEFs và cả RasGAPs và cũng là bằng chứng quan trọng về sự tương tác tác hồi giữa Ca2+ và lộ trình tín hiệu của Ras.

Một vài cơ chế chuyền tin của Ras:

-          Hoạt hóa Raf để kích thích lộ trình tín hiệu MAPK.

-          Hoạt hóa phospholipas Cε.

-          Hoạt hóa lộ trình tín hiệu PtdIns 3-kinase.

-          Ras có thể hoạt hóa họ RalGEFs, như chất kích hoạt sự phân ly RalGDP (RalGDP dissociation stimulator) rồi sau đó hoạt hóa Ral protein (RalA và Ral B). Một trong những chức năng của RalA là kích hoạt lộ trình tín hiệu của phospholipase D.

Son-of-sevenless (SoS)

SoS là một RasGEF cổ điển. Nó điều chỉnh hoạt động của thụ thể PDGF (platelet-derived growth factor) trong lộ trình tín hiệu của MAPK. SoS liên kết với Src homology 3 (SH3) đáp ứng của Grb2 (growth factor receptor-bound protein 2) bằng cách bám vào vị trí phosphotyrosine của thụ thể hoạt hóa. Khi liên kết với thụ thể, SoS sẽ tương tác với Ras và bắt đầu nhanh chóng quá trình chuyển đổi GDP thành GTP do vậy tạo ra trạng thái hoạt hóa của Ras/GTP, sau đó kích hoạt lộ trình tín hiệu MAPK.

Ras guanine nucleotide release-inducing factors (RasGRFs)

RasGRFs và RasGRPs là những GEFs quan trọng có thể chuyển tiếp thông tin đến Ras. RasGRF hiện diện nhiều trong não và quan trọng trong việc kích hoạt lộ trình tín hiệu MAPK của neuron khi thụ thể N-methyl-D-aspartate (NMDA) được hoạt hóa. Kênh Ca2+ hoạt động thông qua calmodulin (CaM) có thể kích hoạt RasGRF. Đây là một sự kiện có tính chất cố định cao, bởi vì RasGRF liên quan tới thụ thể NMDA và do vậy đáp ứng được với các tiểu vùng của Ca2+ ở đầu kênh. Lộ trình tín hiệu này tác động vào hoạt động của các gene phiên mã trong neuron.

Ras guanine nucleotide releasing protein (RasGRPs)

RasGRPs có vai trò quan trọng trong biểu hiện tế bào gốc máu. (haematopoietic cells). Những GRPs này còn được gọi là CalDAG-GEFs vì chúng rất nhạy với diacetylglycerol (DAG) và Ca2+. Chúng chứa domain C1 liên kết với DAG và cũng có cặp Ca2+ bám vào cánh tay EF. RasGRP nhạy cảm với cả DAG và Ca2+do vậy nó liên quan đến lộ trình tín hiệu của PIP2 để hoạt hóa các lộ trình tín hiệu liên quan đến Ras.

Cơ chế tín hiệu của Rac

Hình 41.14: Chức năng của Rac trong sự truyền tin. Rac bị bất hoạt khi liên kết với GDP và trở lại trạng thái hoạt hóa khi liên kết với GTP. Sự chuyển đổi giữa GDP và GTP được tạo ra bởi các GEFs như là Tiam, Kalirin, Vav, SoS và P-Rex. Các GEFs này rất nhạy cảm với Ca2+ và Ptdlns3,4,5P3 hoặc tiểu đơn vị Gβγ của GPCR.

Lộ trình tín hiệu của Rac đóng vai trò quan trọng trong việc hoạt hóa một số lượng lớn các lộ trình tín hiệu. Cũng giống như các G protein khác, Rac hoạt động như một công tắc và bị bất hoạt khi liên kết với GDP và hoạt hóa khi liên kết với GTP. Các kích thích ngoại bào hoạt hóa công tắc này bằng cách sử dụng các GEFs khác nhau như lymphoma tế bào dòng T xâm lấn và di căn (Tiam), Kalirin, Vav, SoS và P-rex. Kalirin hoạt động trong lộ trình tín hiệu của thụ thể Ephrin (Eph) do có khả năng liên kết thụ thể EphB với Rac và actin một cách đồng thời. Chất truyền tin thứ hai PtdIns3,4,5P3 được tạo ra từ lộ trình tín hiệu PtdIns 3-kinase cũng có tác dụng kích thích nhiều GEFs trên.

Phức hợp Rac/GTP có những chức năng quan trọng sau:

-          Rac đóng vai trò trung gian trong chuỗi hoạt động của PtdIns 3-kinase signaling trong việc kích thích NADPH oxidase để kích hoạt lộ trình của reactive oxygen species (ROS).

-          Kích thích lộ trình tín hiệu JNK (c-Jun N-terminal kinase).

-          Xúc tiến quá trình đồng bộ actin bằng cách kích thích phosphoryl hóa p21-activated kinase (PAK). LIM kinase phosphoryl hóa cofilin để ức chế khả năng cắt đứt sợi actin của nó.

-          Xúc tiến sự tái cấu trúc sợi actin bằng cách tác động lên cơ chất p53 của thụ thể insulin (insulin receptor subtrate p53 – IRSp53) với việc kích hoạt Wiskott-Aldrich syndrome protein (WASP) verprolin homologous (WAVE) kể kết hợp với hoạt động của actin-related protein 2/3 complex (Arp2/3 complex), kết quả là gây ra sự polymer hóa sợi actin.

Cơ chế tín hiệu của Rho

Lộ trình tín hiệu của Rho đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống thông tin, đặc biệt nhất là hệ khung xương tế bào (cytoskeleton). Nó điều hòa chức năng của sợi actin theo 2 cách. Cách thứ nhất, nó kiểm soát một vài quá trình cùng tham gia trong hoạt động của sợi actin và nó cũng có cơ chế kiểm soát quá trình đáp ứng tương tác myosin II-actin ở các tế bào cơ trơn cũng như ở các tế bào khác. Cũng như các loại G protein khác, Rho cũng hoạt động theo cơ chế công tắc. Những tín hiệu kích thích hoạt hóa Rho bằng nhiều RhoGEFs khác nhau được phân biệt với nhau bởi Dbl homology (DH) domain. Dbl là viết tắt của lymphoma tế bào B khuếch tán (diffuse B-cell lymphoma) – là loại RhoGEF được phân lập đầu tiên. Họ Dbl-containing GEFs hiện nay được cho là có 69 thành viên. Những GEFs này không thật sự chuyên biệt đối với Rho: Một vài hoạt động như là GEFs của cả Rac và Cdc42. Trong một vài trường hợp, ephexin đặc hiệu cho việc nối thụ thể ephrin vào Rho. Cũng như các RhoGEF liên quan đến bệnh bạch cầu (leukaemia-associated RhoGEF – LARG), p115-RhoGEF và PDZ-RhoGEF lại có liên quan đến quá trình liên quan giữa GPCRs tới sự hoạt hóa Rho. Net-1 nhạy cảm với PtdIns3,4,5P3 (PIP3) thường tìm thấy trong nhân, nhưng nó có thể chuyển vị ra ngoài bào tương và tại nơi đây nó hoạt hóa RhoA. Một loại GEF quan trọng khác là Ect2, được tìm thấy trong nhân lúc interphase nhưng sau đó lại liên kết với các vi ống (microtubules) trong quá trình nguyên phân, cũng tại thời điểm này, nó sẽ kích thích hoạt hóa Rho phân bào (Rho cytokinesis).

Phức hợp Rho/GTP hoạt hóa có khả năng kích hoạt các quá trình tín hiệu khác nhau, một số có thể trực tiếp dẫn đến sự tái cấu trúc sợi actin và các mối tương tác của nó. Nhiều hoạt động của Rho liên quan tới Rho kinase (ROK). Diaphanous-related forming 1 (Dia1) là một trong những chất tác hiệu xuôi dòng, làm tăng sự polymer hóa sợi actin.

Một vài ví dụ về chức năng cụ thể:

-          Hoạt hóa sự co cơ trơn.

-          Sự co các tế bào biểu mô để mở kênh bán thấm.

-          Sự hoạt động của vòng actin trong osteoclast podosomes.

-          Sự phá hủy cấu trúc của “receptor-induced growth cone” trong sự phát triển của neurons thần kinh.

-          Quá trình tương tác vật lý giữa tế bào biểu mô và chất ngoại bào (ECM) hoạt hóa p190RhoGAP để đáp ứng lại với các điều khiển nhạy cảm với yếu tố cơ học (mechanosensitive control) trong sự biểu hiện của thụ thể VEGF.

Hình 41.15: Chức năng của Rho G protein trong sự truyền tin của tế bào. Sự chuyển đổi giữa GDP và GTP có sự tham gia của các RhoGEFs. Ví dụ, ephexin làm trung gian cho hoạt động của các thụ thể protein tyrosine-linked (PTKRs) như là thụ thể ephrin chẳng hạn. Ngược lại, GPCRs sử dụng tiểu đơn vị α12/13 để hoạt hóa LARG, p115-RhoGEF hay PDZ-RhoGEF.

Cơ chế tín hiệu của Cdc42

Cơ chế tín hiệu của Cdc42 có vai trò quan trọng trong quá trình kiểm soát sợi actin của khung xương tế bào. Nó cũng điều hòa một vài quá trình có liên quan đến actin. Cũng giống các G protein khác, Cdc42 hoạt động theo cơ chế công tắc, bất hoạt khi gắn với GDP và được hoạt hóa khi gắn kết với GTP. Các tín hiệu kích thích từ bên ngoài hoạt hóa Cdc42 bằng cách sử dụng các GEFs khác nhau, như là sợi dài intersectin (ITSN-L), PAK-interacting exchange factor α (α-Pix). Tuy nhiên, cơ chế hoạt hóa của những Cdc42 RhoGEF vẫn chưa được hiểu rõ. Trong lộ trình tín hiệu của thụ thể Ephrin (Eph), intersectin được hoạt hóa bằng cách gắn vào thụ thể EphA. Sự hoạt hóa của phức hợp Cdc42/GTP sẽ dẫn đến sự kích hoạt nhiều yếu tố điều hòa sự polymer hóa sợi actin. Sợi actin được ổn định hóa khi PAK được phosphoryl hóa. Còn LIM kinase có chức năng phosphoryl hóa cofilin để ức chế hoạt tính cắt đứt sợi actin của nó.Một trong những hoạt động chủ yếu của Cdc42 là kích thích Wiskott-Aldrich syndrome protein (WASP) – hoạt động trên phức hợp Arp2/3 để bắt đầu sự polymer hóa sợi actin.

Hình 41.16: chức năng của Cdc42 G protein trong sự truyền tín hiệu. Khi gắp với GDP, Cdc42 bị bất hoạt và ngược lại, khi gắn với GTP thì Cdc42 sẽ được hoạt hóa. Sự chuyển đổi này có liên quan đến một số GEFs, nhưng vẫn chưa rõ cơ chế. Hoạt động chính của Cdc42/GTP là kích hoạt hoạt động của sợi actin bằng cách polymer hóa nó dưới tác dụng của profillin và WASP. Ngoài ra quá trình đó cũng xảy ra thuận lợi bởi quá trình ức chế hoạt động của cofillin.

p21-activated kinase (PAK)

PKAs là một trong những chặn tín hiệu của Rac và Rho. Chúng có vai trò trong quá trình tái cấu trúc actin, kiểm soát chu kì tế bào, phiên mã và quá trình apoptosis. Có 6 thể PAK, từ 1-6, chúng có một chút khác biệt trong chức năng. Rac hoạt động thông qua LIM kinase 1 (LIMK1) để phosphoyl hóa cofilin. Còn Rho hoạt động thông qua PAK4 để phosphoryl hóa LIMK1. PAK1 cũng có khả năng phosphoryl hóa myosin light chain kinase (MLCK), quá trình này làm giảm hoạt động của sợi actin-myosin trong hệ thống co cơ.

Fragile X mental retadation protein 1 (RMRP1) bị đột biến trong hội  chứng Fragile X (FXS) có thể ức chế hoạt động của PAK trong sự tái cấu trúc sợi actin trong tủy sống.

Hình 41.17: Cấu trúc của Rho GTPase-regulated kinase. Họ Rho hoạt động thông qua PAK, MRCK và ROK. Những kinase này tồn tại dạng đồng dimer hóa (homodimer). PAK được sắp xếp theo kiểu đầu-đến-đuôi. Ngược lại, MRCK và ROK được sắp xếp theo các đường song song nhau. Các thể gắn kết với GTP của những p21 monomeric G protein này gắn vào PBD. (CC: coiled-coli domain, CH: citron homology domain, CRD: cysteine-rich domain, FillGap: filamin GTPase-activating protein, MLCK: myosin light chain kinase, PH: pleckstrin homology domain).

Myotonic dystrophy kinase-related Cdc42-binding kinase (MRCK)

MRCK có một số lượng domain chức năng lớn và thuộc về cùng họ Rho kinase (ROK). MRCK được hoạt hóa bởi Cdc42.GTP, có thể đóng vai trò quan trọng đến sự hình thành sợi actin đến sự phát triển của neurites. Một trong những chặn tín hiệu xuôi dòng của MRCK là tiểu đơn vị MYPT1 – nơi gắn kết protein phosphatase 1δ (protein có vai trò dephosphoryl hóa myosin light chain).

Rho kinase (ROK)

Rho kinase là một serine/threonine kinase, thành phần điều hòa mấu chốt trong sự phosphoryl hóa sợi actin và myosin, ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng của chúng. ROK ổn định hóa sợi actin bằng cách phosphoryl hóa LIM đồng thời cũng phosphoryl hóa cofilin để ngăn chặn quá trình phân giải sợi actin. Rho cũng hoạt động trên diaphanous-related formin protein (Dia) – thành phần thuộc về họ gia đình formin-related protein và có tương với profilin trong quá trình thúc đẩy quá trình polymer hóa sợi actin.

Một trong những chức năng quan trọng khác của ROK là kiểm soát sự co cơ bởi quá trình hoạt hóa myosin II trong tế bào cơ trơn và cả các tế bào khác. Hoạt động của myosin II được điều hòa bởi tình trạng phosphoryl hóa của MLC (vì có liên quan đến một đầu của sợi myosin). Khi MLC bị dephosphoryl hóa, myosin sẽ bị bất hoạt và ngược lại, khi nó được phosphoryl hóa bởi MLCK, myosin có thể tương tác với sợi actin để sinh ra sự co cơ. ROK làm cho quá trình phosphoryl hóa sợi MLC bằng khả năng ức chế protein phosphatase 1 (PP1) khi phosphoryl hóa myosin phosphatase targeting subunit 1 (MYPT1).

Diaphanous-related formin 1 (Dia1)

Có 2 loại Dia, 1 và 2, thuộc về họ formin-related. Chúng có 3 domain formin tương đồng và các domain này có khả năng gắn vào nhiều chất tác hiệu khác nhau. Dia1 được hoạt hóa trong lộ trình của Rho và kiểm soát sự polymer hóa của actin bằng cách gắn vào profilin. Dia1 còn được cho rằng có khả năng kiểm soát polycystin 2.

Tín hiệu của Ca2+

Hình 41.18: Mô phỏng sơ khai hoạt động của Ca2+.

Đây là một trong những lộ trình tín hiệu chính yếu trong tế bào, liên quan đến rất nhiều quá trình điều hòa trong suốt đời sống của tế bào, một yếu tố tạo nên sự sống ngay từ giai đoạn thụ thai. Nó kiểm soát quá trình phát triển, biệt hóa, điều hành phần lớn các quá trình chuyển hóa, tiết, chuyển động,… Nhưng nếu nồng độ Ca2+ tăng quá cao, nó dẫn đến sự chết của tế bào (apoptosis) hoặc các thay đổi của mô hoại tử gặp trong đột quị và thiếu máu cơ tim cục bộ.

Hình 41.19: Toàn bộ các lộ trình tín hiệu liên quan tới Ca2+. (Ca2+ signaltome)

Cơ chế hoạt động của lộ trình tín hiệu Ca2+ về mặt căn bản có thể hiểu là sự tăng nồng độ của ion này trong tế bào. Nồng độ Ca2+ thấp khi tế bào ở trạng thái nghỉ (rest). Khi có các kích thích bất ngờ xảy ra, nồng độ của nó tăng lên rất nhanh và sinh ra các biến đổi liên quan tới hoạt động của tế bào. Tuy nhiên, sự việc phức tạp hơn nhiều vì có liên quan tới các yếu tố điều hòa khác. Các thành phần nào tạo lên các bộ phận công cụ (toolkit) của lộ trình tín hiệu liên quan đến Ca2+. Ví dụ, kênh Ca2+ nhập bào – điều hành quá trình nhập bào của Ca2+ từ ngoại bào. Kênh giải phóng Ca2+ - kiểm soát sự giải phóng Ca2+ từ các bào quan dự trữ trong tế bào. Hệ đệm Ca2+ (Ca2+ buffers) đảm bảo nồng độ Ca2+ được duy trì trong khoảng hoạt động của nó và ngăn sự tăng Ca2+ đến ngưỡng gây nên sự chết tế bào có chương trình. Ngoài ra còn có những loại bơm Ca2+ khác, có trách nhiệm đưa Ca2+ ra môi trường ngoại bào hoặc đưa Ca2+ trở lại vào bào quan dự trữ (ER). Tín hiệu Ca2+ có sự tham gia của nhiều phần tử nhạy với sự thay đổi nồng độ Ca2+ (Ca2+ - sensor) và các chất tác hiệu (Ca2+ - effector), chúng có vai trò “dịch” tín hiệu Ca2+ thành các hoạt động cụ thể của tế bào.

Cơ chế cơ bản của lộ trình tín hiệu Ca2+

Tế bào ở trạng thái nghỉ (rest) duy trì nồng độ Ca2+ khoảng 100nM và có thể tăng rất nhanh lên đến đơn vị micromolar khi tế bào bị kích thích. Sự gia tăng nồng độ của Ca2+ nội bào này có thể kéo dài từ vài micro giây lên tới hàng giờ để điều hòa các quá trình tế bào khác nhau.

Hình 41.20: Cơ chế cơ bản của lộ trình tín hiệu Ca2+. Nồng độ của Ca2+ trong tế bào ở trạng thái nghỉ vào khoảng 100 nM nhưng khi tăng lên trên 500 nM sẽ kích hoạt phản ứng ON. Khi kích thích bị loại bỏ, phản ứng OFF sẽ xảy ra và nồng độ Ca2+ trở về như lúc đầu. Điều đặc biệt ở đây là chuỗi lộ trình tín hiệu Ca2+ có chung ở tất cả các loài vật được biết và có khả năng gây ra nhiều đáp ứng khác nhau.

Vấn đề động học của lộ trình tín hiệu loại này cũng đáng được lưu ý. Tín hiệu do lộ trình Ca2+ sinh ra được phân định thành các chu kì hằng định. Pha gia tăng nồng độ tương ứng với phản ứng ON và pha giảm nồng độ trong một chu kì liên quan đến phản ứng OFF. Thông thường, nồng độ Ca2+ ở mức cân bằng để duy trì hai pha một cách cân bằng. Điều cần lưu ý là nồng độ Ca2+ không phải là hằng định ở mọi điểm, do vậy phản ứng ON và phản ứng OFF xảy ra ở các vị trí khác nhau và có tùy thuộc vào các cấu trúc trong tế bào. Ví dụ điển hình là hệ vận chuyển giữa ER/mitochondrial, nơi các sự kiện xảy ra trong ER có liên hệ chặt chẽ tới mitochondria, nơi phản ứng ON xảy ra. Ngoài ra, phản ứng ON còn liên quan tới các hệ tác hiệu có đáp ứng với Ca2+. Như kênh ion điều hành (voltage-operated channels – VOCs) ở đầu tận presynaptic liên quan tới các túi tiết synapse, kích thích tăng nồng độ Ca2+ (phản ứng ON) để gây ra quá trình xuất bào. Cũng như vậy, thụ thể ryanodine týp 2 (RYR2s) ở tế bào cơ tim nằm rất gần các yếu tố co cơ để đáp ứng kịp thời với sự thay đổi nồng độ của Ca2+.

Trong trường hợp tế bào bị kích thích nhiều lần, các chu kì hoạt động của Ca2+ sẽ được lập đi lập lại để tạo nên “hệ dao động Ca2+” (Ca2+ oscillations). Hệ dao động này là một phần quan trọng của lộ trình tín hiệu liên quan tới Ca2+.

Các phần tử tín hiệu của lộ trình tín hiệu Ca2+

Tế bào có một hệ thống “công cụ” truyền tín hiệu Ca2+ và một vài hệ thống có chức năng tương đồng với nhau. Tuy nhiên mỗi loại tế bào lại có một hệ thống “công cụ” khác nhau, thường được gọi là các Ca2+ signalling signalsome (bào thể tín hiệu Ca2+). Những signalsome chuyên biệt xuất hiện hợp lý trong quá trình phát triển của tế bào thông qua quá trình biểu hiện bào thể tín hiệu (signalsome expression). Các signalsome còn được định nghĩa theo vai trò là chất thu thập thành phần tín hiệu, chuyên biệt cho từng hệ thông tin khác nhau. Những Ca2+ signalsome của các loại tế bào khác nhau thường được biểu hiện thành các modules tín hiệu Ca2+.

Modules tín hiệu Ca2+

Hệ thống thông tin Ca2+ trong từng loại tế bào khác nhau được phân bổ thành một hệ thống các modules khác nhau sao cho phù hợp với từng chức năng chuyên biệt của từng loại tế bào. Một trong những modules chính được tổng kết dưới đây:

-          Các agonist như neurotransmitter glutamate và ATP hoạt động trực tiếp trên các kênh thụ thể điều hành (ROCs – receptor-operated channels) trên màng tế bào cho phép các Ca2+ từ bên ngoài tế bào đi vào trong.

-          Các chất truyền tin thứ hai như diacylglycerol (DAG), cAMP, cGMP và arachidonic acid hoạt động từ trong nội bào để mở các kênh do chất truyền tin thứ hai điều hành (second messenger-operated channel – SMOCs) trong màng tế bào.

-          Sự khử cực màng hoạt hóa các kênh ion phụ thuộc điện thế (voltage operated channels – VOCs) trên màng tế bào để cho dòng Ca2+ nhập bào hoặc xuất bào.

-          Sự khử cực màng hoạt hóa một thể khác của VOC, kênh CaV1.1 týp L dẫn đến hoạt hóa thụ thể ryanodine 1 (RYR1) ở tế bào cơ bám xương bằng cơ chế gắn kết cấu trúc trực tiếp (conforrmational-coupling mechanism).

-          Sự khử cực màng tế bào hoạt hóa các VOCs trên màng tế bào để dòng Ca2+ ngoại bào nhập bào và tạo thành một biến cố (trigger) kích hoạt thụ thể ryanodine 2 nhằm giải phóng các Ca2+ được dự trữ trong SR. Cơ chế này xảy ra trong neuron và tế bào cơ tim.

-          Các agonist tác động lên các thụ thể trên bề mặt màng tế bào, sinh ra inositol1,4,5-trisphosphate (InsP3), sau đó tín hiệu truyền đến thụ thể InsP3 trên ER để giải phóng Ca2+.

Hình 41.21: Một vài signalsomes của lộ trình tín hiệu Ca2+. Có 4 loại tế bào khác nhau được trình bày ở đây sinh ra tín hiệu Ca2+ có thuộc tính không gian và thời gian khác nhau. Ví dụ, signalsome của các cơ bám xương được “thiết kế” chuyên biệt để có thể đáp ứng nhanh với sự thay đổi nồng độ Ca2+ nhằm hoạt hóa sự co cơ. Ngược lại, signalsome của tế bào T có đáp ứng chậm hơn để kích thích sự biệt hóa của tế bào.

Hình 41.22: Thể hiện bao quát các thành cầu cấu thành chính của các signalsome trong lộ trình tín hiệu của Ca2+. Mũi tên vàng thể hiện phản ứng ON và mũi tên xanh thể hiện phản ứng OFF. Để thực hiện chức năng tín hiệu, Ca2+ bám vào các sensors, các chất này sau đó lại hoạt hóa các effector để kích hoạt các quá trình xảy ra trong tế bào. Hình cũng thể hiện các modules liên quan đến lộ trình tín hiệu Ca2+.

Phản ứng ON

Ở trạng thái đáp ứng với các tín hiệu kích thích ngoại bào, các kênh ion ở trên màng tế bào và trong ER được mở ra, dòng Ca2+ sẽ đi vào bào tương. Dòng Ca2+ này có tác dụng hoạt hóa biểu hiện của tế bào trước các đáp ứng. Trong suốt quá trình phản ứng ON hiện hữu, tế bào dùng cả các kênh Ca2+ nhập bào và kênh Ca2+ giải phóng (Ca2+ release channels) để tạo ra tín hiệu Ca2+ với các thuộc tính không gian và thời gian khác nhau.

Dòng Ca2+ nhập bào xuyên qua màng tế bào thông qua các kênh sau:

-          Voltage-operated channels (VOCs)

-          Agonist-operated channels (AOCs)

-          Receptor-operated channels (ROCs)

-          Second messenger-operated channels (SMOCs)

-          Store-operated channels (SOCs)

Hình 41.23: Một vài modules tín hiệu Ca2+ chính yếu của tế bào để tạo ra tín hiệu Ca2+. Ca2+ được lấy từ bên ngoài vào và cả từ bên trong ra (SR đối với tế bào cơ và ER với tế bào khác).

Ca2+ giải phóng từ các bào quan dự trữ trong tế bào thông qua các kênh có các cơ chế điều hòa khác nhau:

-          Ryanodine receptor (RYRs)

-          InsP3 receptor (InsP3Rs)

-          NAAPD control of Ca2+ release

Một trong những vấn đề quan trọng trong lộ trình tín hiệu Ca2+ là làm cách nào các chất kích thích có thể đi qua bề mặt tế bào để đến các bào quan dự trữ bên trong. Cho đến nay, có hai cơ chế đã được phát hiện:

-          Tạo nối kết trực tiếp bằng liên kết protein-protein. Đây là cơ chế phản ứng nhanh và phụ thuộc vào một sensor có liên hệ trực tiếp với một kênh giải phóng nội bào ở trên màng tế bào, nó là kênh CaV1.1 týp L – thụ thể RYR1. Cơ chế này rất hạn chế ở tế bào cơ bám xương và có lẽ ở một số neuron cũng vậy.

-          Tạo ra chất truyền tin thứ hai. Có 2 cơ chế cụ thể, RYRs và InsP3Rs. Cơ chế Ca2+ cảm ứng sinh Ca2+ (Ca2+-induced Ca2+ - CICR) này đóng vai trò quan trọng trong chuỗi tín hiệu của Ca2+, đặc biệt là quá trình tái tạo “sóng Ca2+”.

Hình 41.24: CICR trong quá trình huy động Ca2+ từ nội bào. RYRs và InsP3Rs trên màng ER. CICR có hai chức năng chính. Thứ nhất, nó chuyển tín hiệu từ màng tế bào vào những kênh giải phóng nội bào, cơ chế này phụ thuộc chủ yếu vào VOCs, kết quả là một lượng nhỏ Ca2+ sẽ đi vào tế bào từ môi trường để hoạt hóa R hay I. Chức năng khác của CICR là nối kết những kênh giải phóng nội bào này lại với nhau để Ca2+ giải phóng từ kênh này có thể ngay lập tức khuếch tán qua những kênh kế cận, tạo nên dòng thác Ca2+ nội bào.

Một trong những quá trình cơ bản của việc giải phóng Ca2+ nội bào là chuỗi tín hiệu InsP3/Ca2+. Những tín hiệu huy động Ca2+ này bao gồm sphingosine 1-phosphate (S1P), cADP ribose (CADPR) và nicotinic acid-adenine dinucleotide phosphate (NAADP).

Những kênh Ca2+ liên quan tới phản ứng ON này thường có cơ chế bất hoạt rất mạnh, do vậy nó có thể ngừng tác động ngay lập tức để tránh tình trạng ngộ độc Ca2+ cho tế bào, ngăn cản apoptosis. Do vậy, khi phản ứng ON chấm dứt, phản ứng OFF sẽ diễn ra ngay lập tức để đưa nồng độ Ca2+ trở về trạng thái bình thường.

Ca2+ cảm ứng sinh Ca2+

Quá trình này đóng vai trò trung tâm trong cơ chế phát sinh tín hiệu Ca2+. Cơ chế tác hồi dương này khiến cho Ca2+ có thể kích thích việc giải phóng Ca2+, đóng 2 vai trò quan trọng trong tế bào. Đầu tiên, nó giúp Ca2+ nhập bào, sau đó Ca2+ này đóng vai trò là chất thông tin thứ hai để giải phóng Ca2+ từ nội bào. Cơ chế của CICR lần đầu tiên được biết đến khi nghiên cứu tế bào cơ tim, nơi dòng Ca2+ đi vào từ kênh CaV1.2 týp L có chức năng hoạt hóa thụ thể ryanodine 2. Cơ chế cũng tương tự ở tế bào thần kinh.

Những chức năng chính khác của CICR là tạo nên sóng Ca2+ nội bào (intracellular Ca2+ waves). Nó xảy ra khi nồng độ Ca2+ rất cao ở một không gian nào đó trong tế bào, rồi dòng Ca2+ sẽ truyền dọc theo chiều “nghỉ” của tế bào để “giảm” nồng độ Ca2+, từ đó tạo nên sóng Ca2+. Sóng Ca2+ nội bào có thể được tạo ra từ hoạt động của RYRs hoặc InsP3Rs. Chúng tạo nên hai sự kiện cơ bản nhất liên quan đến Ca2+ là tạo tia (sparks – do RYRs) và tạo dòng (puffs – do InsP3Rs). Các tính chất trên góp phần tạo ra hiện tượng “tín hiệu Ca2+ toàn thể” (global Ca2+ signal).

Phản ứng OFF

Phần này sẽ được trình bày rõ hơn ở phần sau. Ở đây trình nhắc lại một số nguyên lý cơ bản.

Tế bào có nhiều cơ chế loại bỏ Ca2+ ra khỏi bào tương. Sự gia tăng nồng độ Ca2+ trong tế bào theo các cơ chế đã đề cập ở trên đều có liên quan đến nguồn Ca2+ nội bào. Do vậy, chỉ có một số lượng rất ít Ca2+ tự do tồn tại trong tế bào (được xác định bằng phương pháp đánh dấu aequorin hoặc fluorescent). Phần lớn Ca2+ liên kết các chất đệm/hiệu chỉnh trong bào tương (cytosolic buffers) hoặc được ti thể thu nhận. Khi nồng độ Ca2+ trở về nồng độ ban đầu, Ca2+ từ các hệ đệm và ti thể sẽ trở về ER hoặc bơm ra ngoài tế bào.

Quá trình tái thu nhận lại Ca2+ phụ thuộc vào các tương tác qua lại rất phức tạp giữa hệ đệm Ca2+ trong bào tương, ti thể, các kênh Ca2+ trên các bào quan dự trữ và màng tế bào.Các hệ đệm và ti thể điều hòa trong giai đoạn sớm, các kênh Ca2+ sau đó đưa Ca2+ ra khỏi tế bào hoặc vào lại ER. Các kênh vận chuyển này có mức độ hoạt động khác nhau trong các giai đoạn của quá trình tái thu nhận Ca2+. Ví dụ, Kênh Na+/Ca2+ có ái lực thấp với Ca2+ nhưng mà có khả năng chuyển đổi một lượng lớn các ion này do vậy nó hoạt động ở giai đoạn sớm để loại bỏ nhanh chóng một lượng lớn Ca2+ ra khỏi môi trường nội bào. Mặt khác, các Ca2+-ATPase trên màng tế bào (PMCA) và các Ca2+-ATPase của S/E-plasmic reticulum (SERCA) có khả năng chuyển đổi thấp hơn nhưng lại có ái lực cao hơn, nghĩa là nó có vai trò hoàn thành quá trình tái thu nhận Ca2+ và tiếp tục hoạt động cho dù ở nồng độ Ca2+ thấp (đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nồng độ Ca2+ trong các bào quan dự trữ ở trạng thái nghỉ của tế bào).

Hình 41.25: Sự gia tăng nồng độ Ca2+ là kết quả của các quá trình thu nhận Ca2+ từ ngoại bào và quá trình giải phóng từ bên trong. Khi phản ứng ON bị bất hoạt, các phản ứng OFF sẽ điều hòa quá trình dự trữ Ca2+ và làm nồng độ của ion này về trạng thái nghỉ của tế bào. Trong giai đoạn gia tăng nồng độ Ca2+, một lượng lớn Ca2+ được gắn kết với các hệ đệm Ca2+ (calbindin D-28k, parvabumin) và được đưa vào ti thể. Đây là tiền đề của các hiện tượng gia tăng nồng độ Ca2+ nhanh chóng để đáp ứng với các kích thích.

Các hệ đệm Ca2+

Tế bào có rất nhiều các protein có khả năng gắn kết với Ca2+ và chúng được chia làm hai nhóm: nhóm cảm ứng với Ca2+ (Ca2+ sensors) và nhóm đệm Ca2+ (Ca2+ buffers). Các sensor đáp ứng lại các tín hiệu bằng cách hoạt hóa một vài quá trình tác hiệu. Người ta có thể nói rằng tất cả các protein có khả năng gắn Ca2+ là một chất đệm Ca2+, điều này cũng đúng với các sensors. Tuy nhiên, nồng độ hoạt động của các sensor thường rất thấp, do vậy khả năng đệm của chúng cũng rất kém. Dựa vào vai trò, các chất đệm Ca2+ được chia thành các nhóm chính khác nhau. Tế bào có nhiều chất đệm có khả năng gắn kết với Ca2+ ngay cả trong bào tương và các khoang của ER. Vai trò duy nhất của các chất đệm Ca2+ này là thay đổi thuộc tính về thời gian cũng như không gian của các tín hiệu Ca2+.

Chất đệm chính trong bào tương là parvalbumin (PV) và calbindin D-28k (CB). Chất đệm chính của ER là calsequestrin (CSQ) ở cả tế bào cơ và các tế bào khác. Ngoài ra còn có một số chất đệm của cả hai môi trường, nhưng không phổ biến và cũng không quan trọng.

Chúng ta sẽ nói rõ hơn về vai trò của hệ đệm bào tương. Thuộc tính đệm của các protein đệm khác nhau ở từng loại tế bào, phù hợp với chứng năng của chúng. Ví dụ, tế bào Purkinje có rất nhiều PV và CB do vậy có khả năng đệm Ca2+ rất cao theo tỉ lệ 2000 Ca2+ liên kết mới có một ion Ca2+ ở trạng thái tự do. Các tế bào khác thì tỉ lệ này thường là từ 50-100:1. Các tế bào neuron vận động có khả năng đệm rất thấp nhưng lại thường có một lượng lớn các tín hiệu Ca2+ ở thân tế bào và đuôi gai trong các hoạt động sinh lý thông thường của nó. Do vậy chúng rất dễ bị thoái hóa. Nồng độ các chất đệm là một thước đo quan trọng để xác định khả năng đệm, ngoài ra người ta còn xác định ái lực với Ca2+ và các ion kim loại khác, động học quá trình gắn Ca2+, khả năng được giải phóng và khả năng di chuyển,…

Một điều rất đáng được quan tâm là sự thay đổi khả năng đệm trong các tế bào thần kinh có liên quan đến bệnh tâm thần phân liệt (schizophrenia).

Parvalbumin (PV)

PV là chất đệm trễ (slow-onset), do vậy nó không thể đáp ứng lại các quá trình đột ngột trong hầu hết các quá trình tín hiệu Ca2+. Tuy nhiên, PV có thể thu giữ Ca2+ khi tín hiệu xuất hiện và do vậy tăng khả năng tái thu nhận Ca2+. PV hiện diện nhiều trong cơ bám xương, tại đây nó đống vai trò quan trọng trong cơ chế giãn cơ. Khi số lượng PV giảm đi, tế bào sẽ bù lại bằng cách tăng kích thước ti thể để thay thế vai trò của nó trong giai đoạn tái thu nhận Ca2+.

Cabindin D-28k (CB)

CB là một trong những chất đệm bào tương chủ yếu và được tìm thấy nhiều ở tế bào thần kinh. CB là một chất đệm sớm do vậy nó có vai trò quan trọng trong việc thu nhận Ca2+ một cách nhanh chóng. Vì những lý do trên, nó được xem như là một yếu tố hạn chế luồng tín hiệu Ca2+. Ở tế bào neuron, CB có vai trò chính trong việc tạo ra các sự hiện có tính cố định cao (highly localized Ca2+ events) trong tủy sống. Chúng giúp tế bào neuron gia tăng số lượng liên kết synapse và do vậy gia tăng khả năng dẫn truyền tín hiệu của não bộ. Do vậy nếu thiếu CB, quá trình hoạt động của não bộ sẽ bị hạn chế.

Khả năng đệm của CB còn liên quan tới sự tái hấp thu Ca2+ của ống thận. (Sự tái hấp thu Ca2+ ở ruột non thì liên quan đến calbindin D-9k).

Một trong những giả thuyết liên quan đến Ca2+ trong việc giải thích cơ chế của bệnh Alzheimer đã đề cập đến sự giảm sút sự hiện diện của CB vì điều này làm tăng tính nhạy cảm của neuron với tín hiệu Ca2+.

Calreticulin (CRT)

Hình 41.26: Calnexin và calreticulin giúp gấp nếp cho các glycoprotein trong ER. Sau khi quá trình chuyển nhân oligosaccharide (Gli3Man9GlcNAc2) đến chuỗi mới hình thành của protein, hai glucose sẽ bị loại bỏ bởi glucosidase I và II. Quá trình này hình thành Glc1Man9GlcNAc2 glycoprotein có thể tương tác với calnexin và calreticulin. Hai chaperone này kết hợp với thiol-disulphide oxidoreductase Erp57 thông qua các domain giống hình “cánh tay”. Trong quá trình xúc tác hình thành liên kết disulphide, Erp57 tạo nên liên kết S-S với glycoprotein. Sự phân cắt một gốc glucose còn lại bởi glucosidase II chấm dứt sự tương tác giữa protein mới tạo thành với calnexin và calreticulin. Sau đó, glycoprotein mới sẽ rời khỏi ER. Trong trường hợp glycoprotein bất thường được tạo ra, nó sẽ được UDP-glucose:glycoprotein glucosyltransferase xúc tác gắn trở lại một gốc glucose để quay trở lại chu trình trên. Nếu một protein không được gấp nếp, mannose ở nhánh giữa của chuỗi oligosaccharide sẽ bị loại bỏ bởi α1,2-mannosidase I. Protein sau đó sẽ bị nhận diện bởi ER degradation-enhacing 1,2-mannosidase-like protein (EDEM) và bị phá hủy bởi ER-associated degradation (ERAD). (Theo Nature)

CRT là một protein có ái lực thấp với Ca2+, tồn tại chủ yếu bên trong ER, một ít nhân, ngoài ra còn có trong bào tương khi hiện tượng stress tế bào xảy ra. Trong ER, nó đóng vai trò của một protein chaperone và còn là chất đệm quan trọng.

CRT có 3 domain chính:

-          N-domain hình cầu vẫn chưa biết chức năng.

-          P-domain giàu proline. Có trình tự giống với calnexin và calmegin.

-          C-domain có tính acid mạnh, nơi có nhiều vị trí gắn Ca2+ ái lực thấp. Chúng có khả năng gắn kết 20-30 mol Ca2+ cho mỗi mol CRT.

Khi đóng vai trò là một chaperone, CRT gắn kết với calnexin. Hợp chất vòng calnexin/calreticulin giúp gấp nếp glycoprotein – các nếp gấp này đóng vai trò trong sự neo giữ và chế tiết của nó. Sự gấp nếp diễn ra nhiều hay ít phụ thuộc vào nồng độ của calnexin/calreticulin và Ca2+ cũng như một vài yếu tố khác. Khả năng đệm của CRT giúp cho nồng độ Ca2+ trong ER luôn được giữ ở mức hằng định. Ngoài ra, CRT có vai trò trực tiếp trong các quá trình duy trì hằng định nội bào thông qua các kênh và bơm Ca2+ nó điều hòa. Ví dụ, khi nồng độ Ca2+ trong tế bào tăng quá cao, CRT và calnexin sẽ ức chế hoạt động của SERCA và Ca2+ được giải phóng. Khi sự ức chế này chấm dứt, SERCA lại thực hiện đúng chức năng của nó là thu giữ Ca2+ để đưa nồng độ của ion này về lại như ban đầu.

Vai trò của tín hiệu Ca2+

Ca2+ là chất truyền tin thứ hai, hoạt động thông qua các sensor và các chất tác hiệu. Các sensor chính là EF-hand protein troponin C (TnC), calmodulin (CaM), neuronal Ca2+ sensor protein (NCS) và S100 protein,… các sensors này hoạt động như các chất truyền tin thông qua các chất tác hiệu sau:

-          Kênh Ca2+ nhạy cảm K+

-          Kênh Ca2+ nhạy cảm Cl- (CLCAs)

-          Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase (CaMKs)

-          Calcineurin

-          Phosphorylase kinase

-          Myosin light chain kinase (MLCK)

-          Ca2+-promoted Ras inactivator (CAPRI)

Đặc tính không gian và thời gian trong tín hiệu của Ca2+

Việc Ca2+ đóng vai trò điều hòa rất nhiều các quá trình sống của tế bào có phần nào được xem là nghịch lý bởi vì Ca2+ là một chất độc đối với tế bào khi nồng độ của nó được duy trì trong thời gian dài. Ngoài đặc tính thời gian như trên, tín hiệu Ca2+ còn có sự sắp xếp cao trong không gian, mang tính cục bộ và toàn thể. Ví dụ, sự co cơ được hoạt hóa bởi một sự gia tăng Ca2+ toàn thể. Ngược lại, quá trình giải phóng neurotransmitter chỉ liên quan đến dòng Ca2+ nhỏ được chuyển đến các túi tiết một cách trực tiếp thông qua các sensor. Do tính chất này, biểu hiện tín hiệu Ca2+ tồn tại rất đa dạng trong hoạt động của tế bào. Trong số đó, điều được cho là kì diệu nhất chính là cơ chế điều hòa CICR.

Hình 41.27: Protein gấp nếp nhờ Chaperonin. Sự gắp nếp chính xác của một số protein phụ thuộc vào các chaperonin như GroEL của sinh vật nhân sơ. GroEL là một phức hệ dạng thùng rỗng cấu thành từ 14 tiểu phần đồng nhất, trọng lượng phân tử khoảng 60000MW, tổ chức thành hai vòng chồng lên nhau. Khi không gắn ATP hoặc gắn ADP, GroEL mang cấu hình đóng chặt và gắn với protein không gấp nếp hoặc gấp nếp một phần. ATP gắn vào làm GroEL mở ra, giải phosng protein đã gấp nếp.

[Để gấp nếp chính xác, rất nhiều protein mới tổng hợp cũng cần chaperonin phụ trợ. Tổ hợp đại phân tử hình trụ lớn này cấu thành từ hai vòng oligomer. Hai vòng này có cấu hình chặt (tight) gắn peptide và cấu hình lỏng lẻo để giải phóng peptide. Mỗi vòng chaperronin TriC của sinh vật nhân chuẩn chứa 8 tiểu phần. Cơ chế gấp nhờ GroEL được hiểu kĩ hơn thông qua TriC và trở thành mô hình chung. Polypeptide gấp nếp một phần hoặc mất nếp gấp gắn vào khoang của GroEL dạng thùng, nơi nó gắn với thành trong và gấp thành cấu hình tự nhiên. Trong một bước phụ thuộc ATP, GroEL biến đổi hình dạng và giải phóng protein đã gấp nếp. Một protein gọi là đồng chaperonin (GroES) trợ giúp cho quá trình này. ATP và GroEL ở trạng thái chặt làm hốc của nó mở rộng gấp hai lần, chuyển dịch cân bằng sang trạng thái lỏng và giải phóng peptide. Chú ý rằng thiết kế thùng có nắp của GroEL/GroES rất giống với cấu trúc proteasome 26S (tham gia phân hủy protein).]

Chức năng của lộ trình tín hiệu Ca2+

Ca2+ đóng vai trò như một chất truyền tin thứ hai, tín hiệu sau đó được dẫn tới các sensỏ và các chất tác hiệu lệ thuộc Ca2+. Những sensors chính là EF-hand protein Troponin C (TnC), calmodulin (CaM), neuronal Ca2+ sensor protein (NCS) và S100 protein. Những sensor này sau đó lại tiếp tục chuyển thong tin tới rất nhiều các chất tác hiệu khác nhau:

-          Kênh K+ nhạy cảm Ca2+

-          Kênh Cl- nhạy cảm Ca2+ (CLCAs)

-          Protein kinase lệ thuộc Ca2+/calmodulin (CaMKs)

-          Phosphorylase kinase

-          Myosin light chain kinase (MLCK)

-          Chất ức chế Ras qua trung gian Ca2+ (Ca2+-promoted Ras inactivator, CAPRI)

Các tín hiệu của nicotinic acid-adenine dinucleotide phosphate (NAAPD)

NAADP là một trong những phân tử truyền tin có liên quan đến lộ trình tín hiệu của NAD và được biết đến như là một phân tử tín hiệu thứ hai huy động Ca2+ (Ca2+-mobilizing second messenger). Quá trình tạo ra NAADP và chuyển hóa của nó không đặc hiệu và gần giống với cADPR do vậy cùng một enzyme có thể tổng hợp ra cả hai phân tử truyền tin này. NAADP điều khiển sự giải phóng Ca2+ phụ thuộc vào hoạt động của nó lên quá trình tích trữ và khác với sự truyền tin của InsP3Rs hay RYRs. Ngoài ra, NAADP tham gia vào các quá trình điều hòa của tế bào phụ thuộc vào khả năng tương tác của nó đến các hệ thống truyền tin huy động Ca2+ khác.

Lộ trình tín hiệu phosphoinositide

Hình 41.28: Mô phỏng sơ khai hoạt động của 1,4,5-trisphosphate and DAG

Các lộ trình tín hiệu thông qua các phosphoinositide lipids rất phức tạp bởi vì nó có sự tham gia của một lượng lớn các phân tử truyền tin thông qua cả hai quá trình tổng hợp và thuỷ phân của các phosphoinositides. Các quá trình trao đổi chất liên quan đến phosphoinositide có thể được phân thành hai loại lớn. Thứ nhất là các quá trình chuyển hóa của inositol lipid, liên quan đến họ phân tử PtdIns – chuyển hoá tạo thành một lượng lớn các chất trung gian lipid, một vài phân tử này là chìa khoá cho các lộ trình tín hiệu quan trọng. Thứ hai là các quá trình chuyển hóa của inositol phosphate, một lộ trình khá phức tạp liên quan đến các inositol phosphate tan được trong nước. Một vài inositol phosphate được sinh ra bởi quá trình chuyển hoá này đóng vai trò là một chất dẫn truyền tín hiệu có tác động trong lộ trình tín hiệu đa chức năng của inositol phosphate (multipurpose inositol polyphosphate signaling pathway).

Hình 41.29: Tổng quan về các quá trình chuyển hóa của phosphoinositide. Được phân thành hai loại là inositol lipid và inositol phosphate. PtdIns trải qua một chuỗi các phản ứng phosphoryl hóa để tạo thành các polyphosphoinositides khác nhau. Một trong số đó là PtdIns4,5P2 – là phân tử chìa khóa quan trọng vì vừa là phân tử tín hiệu vừa là tiền chất để tạo thành nhiều loại phân tử khác trong lộ trình tín hiệu của phosphoinositide lipid như PtdIns3,4,5P3 chẳng hạn. Hơn nữa, nó cũng có thể bị thủy phân để tạo thành inositol1,4,5-triphosphate (Ins1,4,5P3) và DAG.Ins1,4,5P3 là thành phần chính tham gia (input) vào các lộ trình phức tạp của chuyển hóa inositol phosphate. Một trong những thành phẩm (output) của quá trình chuyển hóa này là inositol, cơ chất để tái tổng hợp PtdIns. Ngoài ra, tế bào cũng có 1-I-myo-inositol-1-phosphate synthase có vai trò chuyển glucose 6-phosphate thành inositol.

PtdIns4,5P2 là phân tử được nghiên cứu kĩ lưỡng bởi vì nó là tiền chất sản sinh ra các chất truyền tin thứ hai quan trọng, inositol 1,4,5-triphosphate (InsP3) và diacylglycerol (DAG), hai phân tử này lần lượt tham gia vào lộ trình tín hiệu inositol1,4,5-triphosphate/Ca2+ và diacylglycerol/protein kinase C. Ngoài ra, PtdIns4,5P2 còn là tiền chất của PtdIns3,4P2 và PtdIns3,4,5P3, hai chất này là cũng là chất truyền tin thứ hai, có vai trò hoạt hoá protein kinase trong lộ trình tín hiệu của PtdIns3-kinase. Ngoài vai trò là tiền chất cho nhiều chất truyền tin quan trọng, bản thân PtdIns4,5P2 cũng có thể đóng vai trò là một chất truyền tin trong các quá trình tổng hợp cục bộ hay thuỷ phân hoá lipid để điều hòa các quá trình của tế bào như tạo thành sợi actin, các chất neo trên màng, sự xuất bào, các kênh ion và các chất chuyển đổi.

Hình 41.30: Cấu trúc phân tử của PtdIns. Khung sườn của phân tử này là một bán glycerol. Hai carbon mang acid béo để liên kết với phần kị nước của màng tế bào. Ngược lại, carbon còn lại liên kết với gốc phosphate nối kết với một vòng inositol hướng vào tế bào chất. Các gốc hydroxyl ở vị trí 3-, 4-, 5- có thể được phosphoryl hóa tiếp tục.

Sự sai lệch hoạt động của lộ trình tín hiệu phosphoinositide lipid dẫn đến nhiều bệnh khác nhau như các chứng manic-depressive illness, Lowe’s oculocerebrorenal syndrome và bệnh Cowden’s.

Sự chuyển hóa phosphoinositide

Có thể phân chia thành hai thành phần chính:

-          Chuyển hóa inositol lipid liên quan đến các quá trình chuyển đổi PtdIns thành các phân tử tín hiệu thuộc loại phosphoinositide lipid.

-          Chuyển hóa inositol phosphate, có vai trò trong việc tạo thành một lượng lớn các chất inositol phosphate. Con đường chuyển hóa này cũng có thể tạo ra inositol, chất này được sử dụng trong các quá trình tái tổng hợp các tiền chất lipid của PtdIns.

Cả hai lộ trình tín hiệu này đều có sự thủy phân và sự tổng hợp lipid. Quá trình thủy phân xảy ra khi các tín hiệu ngoại bào hoạt hóa phospholipase C (PLC) để thủy phân PtdIns4,5P2 nhằm tạo thành inositol1,4,5-triphosphate (Ins1,4,5P3) và diacylglycerol (DAG). Ins1,4,5P3 là một trong những thành phần quan trọng tham gia vào chuỗi chuyển hóa inositol phosphate để tổng hợp inositol – phân tử cần thiết cho quá trình tổng hợp lipid.

Hình 41.31: Các tiểu đơn vị xúc tác và điều hòa của họ enzyme PtdIns 3-kinase. Được phân chia thành 3 lớp. Vùng kinase có màu vàng phosphoryl hóa PtdIns4,5P2 để tạo thành lipid thông tin PtdIns3,4,5P3. Cấu trúc các tiểu đơn vị vùng điều hòa và xúc tác được mô tả bằng chữ. (Hawkins et al. 2006)

Sự chuyển hóa inositol lipid

Rất nhiều chuỗi truyền tín hiệu phosphoinositide được bắt nguồn từ phân tử phosphatidylinositol (PtdIns). Không giống như các phospholipid được tìm thấy trên màng tế bào, PtdIns có các gốc hydroxyl tự do tại vị trí 3-, 4- và 5- trên vòng inositol có khả năng bị phosphoryl hóa để tạo thành một họ phân tử phosphoinositide. Một trong những lipids quan trọng hơn trong lộ trình tín hiệu phosphoinositide là PtdIns4,5P2, chất này đóng vai trò như một điểm nút (nodal point) cho một lượng lớn hệ thống tín hiệu.

Sự chuyển hóa PtdIns được thực hiện bởi một số chọn lọc các lipid kinase và lipid phosphatase. Sau đây là một vài ví dụ:

-          Lớp III của enzyme PtdIns 3-kinase tạo liên kết phosphate tại vị trí số 3 trên phân tử PtdIns để tạo thành PtdIns3P.

-          PtdIns 4-kinase tạo liên kết phosphate tại vị trí số 4 của PtdIns để tạo thành PtdIns4P. Chất này cũng có thể tạo thành từ phản ứng loại gốc phosphate ở vị trí số 3 từ PtdIns3,4P2 dưới sự xúc tác của PTEN trên nhiễm sắc thể số 10 (Phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10)

-          PtdInsP kinase III chưa được biệt hóa hoàn toàn, nó có vai trò tạo liên kết phosphate tại vị trí số 5 để tạo thành PtdIns5P.

-          PtdIns4P 5-kinase loại 1 tạo liên kết phosphate tại vị trí số 5 của PtdIns3P để tạo thành PtdIns3,5P2.  Sự thay đổi nồng độ của PtdIns3,5P2 trong tế bào dẫn đến sự stress thẩm thấu (osmotic stress).

-          Lớp I và II của PtdIns 3-kinase tạo liên kết phosphate tại vị trí số 3 của PtdIns4P để tạo thành PtdIns3,4P2. PtdIns3,4P2 được cho là chất truyền tin có tác dụng trong màng tế bào. Tại đó, nó phục hồi và hoạt hóa protein kinase B. Ngoài ra, PtdIns3,4P2 còn có thể được tổng hợp bởi các enzyme khác.

-          PtdInsP kinase II tạo liên kết phosphate ở vị trí số 4 của PtdIns3P để tạo thành PtdIns3,4P2.

-          Các inositol polyphosphate 5-phosphatase như vùng Scr homology 2 (SH2) chứa inositol phosphatase (SHIP) loại bỏ liên kết phosphate ở vị trí số 5 trong phân tử PtdIns3,4,5P3 để tạo thành PtdIns3,4P2.

-          PtdIns4P 5-kinase tạo liên kết phosphate tại vị trí số 5 của PtdIns4P để tạo thành PtdIns4,5P2. PtdIns3,4P2 cũng có thể được phosphoryl hóa bởi PtdIns4P5 kinase để tạo thành PtdIns3,4,5P3.

-          PTEN loại bỏ một gốc phosphate ở vị trí số 3 của PtdIns3,4,5P3.

-          Myotubularins loại bỏ gốc phosphate của PtdIns3P.

PtdIns 3-kinase

PtdIns 3-kinase là một họ enzyme được phân thành ba lớp:

-          Lớp I: Chức năng chính của lớp này là phosphoryl hóa PtdIns4,5P2 để tạo thành PtdIns3,4,5P3. Lớp I này được chia thành 2 nhóm.

o   Nhóm IA là một dị dimer hóa được tạo thành từ 5 tiểu đơn vị điều hòa (p85α, p85β, p55α, p50α và p55γ) và là một protein đáp ứng. Tiểu đơn vị điều hòa p85 chứa một vùng Src homology 3 (SH3), hai vùng giàu Proline (P) và hai vùng Src homology 2. Trong đó vùng SH2 giúp cho enzyme có thể tham gia quá trình phosphoryl hóa vùng phosphoryl hóa nằm trên màng tế bào của thụ thể. Ví dụ: platelet-derived growth factor receptor (PDGFR). Vùng SH3 gắn vào vùng giàu proline của Shc, Cbl và dynamin. Vùng giàu proline có thể gắn kết với vùng SH3 của Abl, Src, lck, Lyn, Fyn và các thụ thể của yếu tố phát triển gắn kết protein 2 (growth factor receptor bound protein 2, Grb2)

o   Nhóm IB có cơ chế hoạt hóa khác thông qua dị trimer hóa G protein. Nó có tiểu đơn vị xúc tác p110γ và hai tiểu đơn vị điều hòa (p101 và p84). Những tiểu đơn vị điều hòa này có thể đóng vai trò trung gian trong sự chuyển vị (translocation) của tiểu đơn vị xúc tác p110γ đến màng tế bào bằng cách liên kết với tiểu đơn vị Gβγ của G protein.

Enzyme lớp I liên kết mạnh mẽ với oncogene Ras và có thể có vai trò quan trọng trong cả các quá trình thuận dòng (downstrem) hoặc nghịch dòng (upstream), phụ thuộc vào tình trạng của tế bào. Với vai trò kiến tạo, Ras thúc đẩy hoạt hóa enzyme và tạo ra các phân tử truyền tin bản chất lipid. Mặt khác, Ras cũng có thể đóng vai trò trung gian trong một vài phản ứng thuận dòng của PtdIns 3-kinase. PtdIns 3-kinase lớp I bị bất hoạt rất mạnh bởi wortmannin (chất bất hoạt một chiều) và bởi LY294002 (chất bất hoạt thuận nghịch).

-          Lớp II: Cơ chất của nó chỉ có PtdIns và PtdIns4P. Enzyme lớp này không có tiểu đơn vị điều hòa và có 3 tiểu đơn vị xúc tác (PI3KC2α, PI3KC2β, PI3KC2γ) được phân loại bởi vùng phox homology và vùng C2 ở đầu tận C.

-          Lớp III: Cơ chất của nó duy nhất có PtdIns. Nguyên mẫu của lớp này là protein không bào số 34 (Vps34) được tìm thấy ở Saccharomyces cerevisiae và có sự tương đồng với người (hVps34). Hoạt động của hVps34 được điều hòa bởi Ca2+ và nó góp phần điều hòa quá trình Target Of Rapamycin (TOR) – có chức năng kiểm soát sự tăng trưởng của tế bào.

Hình 41.32: Sự chuyển hóa PtdIns tạo ra một lượng lớn lipid và các inositol phosphate phái sinh có tác dụng trong một lượng lớn các lộ trình tín hiệu. PtdIns 4,5P2 là nút thắt quan trọng cho một số lộ trình vì nó là tiền chất để tổng hợp nên chất truyền tin thứ hai inositol 1,4,5-triphosphate (InsP3), DAG và PtdIns3,4,5P3 (PIP3). Sau chuỗi truyền tín hiệu ban đầu, InsP3 đi vào các quá trình chuyển hóa phức tạp của inositol phosphate.

Myotubularins

Myotubularins là một lipid phosphatase có vai trò đặc biệt trong quá trình khử gốc phosphate của PtdIns3P (và cũng có tác dụng trên PtdIns3,5P2). Có 14 loại myotubularins ở động vật có vú. Những enzyme này có vùng phosphatase và vùng GRAM (liên quan tới màng tế bào và vùng bị xoắn cuộn của vùng xoắn cuộn (coiled-coil domain) ở đầu tận C, có chức năng gắn kết những enzyme này vào những protein khác). MTMR6 có chức năng chuyên biệt trong lộ trình tín hiệu của PtdIns3P. Quá trình thủy phân chất này kiểm soát hoạt động của Ca2+-activated intermediate-conductance channel (KCa3.1). Đây có lẽ là bằng chứng cho mối liên hệ giữa kênh K+ và sự tăng trưởng của tế bào.

Sự chuyển hóa của inositol phosphate

Chức năng tín hiệu huy động Ca2+ của inositol1,4,5-triphosphate được giới hạn trong các quá trình chuyển hóa của nó bởi các lộ trình tín hiệu phức tạp của inositol phosphate có hai chức năng chính:

-          Sản xuất inositol làm nguyên liệu cho quá trình tái tổng hợp PtdIns.

-          Tạo ra một sự phân loại các inositol phosphate, một vài chất trong số đó tham gia vào lộ trình tín hiệu của inositol polyphosphate.

Ins1,4P2 thường sẽ bị khử gốc phosphate để tạo thành inositol và Ins1,3,4,5P4 bị khử phosphate để tạo thành 1,3,4P3. Các phân tử này có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa vì vừa góp phần tạo ra inositol (quan trọng trong việc tạo nguyên liệu cho các hoạt động tín hiệu sau) hoặc sau đó được phosphoryl hóa trở lại để tạo thành các inositol polyphosphate khác. Lưu ý, InsP3 có vai trò huy động Ca2+ nội bào.

Sự chuyển hóa của inositol phosphate có sự tham gia của một lượng lớn các inositol phosphate kinase và phosphatase. Sau đây là vài ví dụ:

-          Inositol polyphosphate 5-phosphatase. Đây là một họ enzyme lớn được tổng hợp từ các tổ hợp enzyme khác nhau. Chúng có chức năng loại bỏ gốc phosphate ở vị trí số 5 trong phân tử inositol lipid và trong một số trường hợp còn có thể tác dụng lên các phân tử inositol phosphate.

o   5-phosphatase I có vai trò thủy phân Ins1,4,5P3 và Ins1,3,4,5P4. Nếu enzyme này bị thiếu hụt thì nồng độ InsP3 sẽ tăng lên sẽ gây ra sự biến đổi kiểu hình (phenotype) của sinh vật. Enzyme này bị bất hoạt khi bị phosphoryl hóa bởi Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII). Enzyme thuộc loại I liên kết trực tiếp với màng tế bào bởi quá trình gắn kết với các gốc không phân cực tại đầu C tận (isoprenylation). Nếu những vùng gắn kết này ở trên màng tế bào bị loại bỏ, enzyme sẽ di chuyển tự do trong tế bào chất, quá trình chuyển hóa của InsP3 sẽ không xảy ra được. (Điều này gợi ý rằng các quá trình chuyển hóa của InsP3 có liên quan chặt chẽ tới các vị trí tác động ở trên màng tế bào).

o   5-phosphatase II. Một protein có tỉ trọng 75kDa có chức năng thủy phân inositol phospholipids.

o   OCRL. Một enzyme có bao gồm vùng nối kết (gap-domain-containing enzyme) có thể thủy phân inositol phosphate (Ins1,4,5P3, Ins1,3,4,5P4) và phosphoinositide (PtdIns4,5P2 và PtdIns3,4,5P3). Nếu enzyme này bị thiếu hụt thì sẽ dẫn đến hội chứng Lowe’s oculocerebrorenal (OCRL).

o   Synaptojanin-1.

o   Synaptojanin-2.

Hình 41.33: Minh họa sự chuyển hóa của inositol phosphate. Phân tử chính tham gia vào hệ thống chuyển hóa là Ins1,4,5P3. Nó được sinh ra từ màng tế bào khi thụ thể tương ứng với lộ trình được kích hoạt. Một trong những chức năng chính của lộ trình này là tổng hợp inositol tự do cho sự tổng hợp các inositol lipid.

-          Inositol polyphosphate 1-phosphatase. Enzyme này khử gốc phosphate của cả Ins1,3,4P3 và Ins1,4P2. Enzyme này có liên quan đến lộ trình chuyển hóa của quá trình phì – bù (compensatory hypertrophy) và có hiện tượng tăng điều hòa (up-regulated) trong tình trạng ung thư kết –trực tràng (human colorectal cancer).

-          Inositol monophosphatase. Enzyme này góp phần tăng nồng độ inositol để làm nguyên liệu cho quá trình tái tổng hợp PtdIns. Sau đó PtdIns sẽ trở về màng tế bào và trở thành tiền chất cho các lộ trình tín hiệu của phosphoinositide. Enzyme này bị ức chế bởi Lithium (Li+) do vậy Li được dùng để làm giảm nguồn cung cấp inositol và là cơ sở của giả thuyết tiêu dịch inositol (inositol depletion hypothesis) để đánh giá hoạt động của nó trong bệnh “manic-depressive illness”.

-          Inositol polyphosphate 4-phosphatase. Là một enzyme có nhiều chức năng, nó có thể khử gốc phosphate của cả Ins3,4P2 và Ins1,3,4P3 cũng như là PtdIns3,4P2 (một loại inositol lipid). Enzyme này có thể là chất điều hòa sự tăng trưởng của tế bào vì có bằng chứng cho rằng nó vắng mặt trong tình trạng quá tăng trưởng (hyperproliferative) của tế bào tủy xương phì đại (megakaryocytes) thiếu yếu tố phiên mã GATA-1.

-          Diphosphoinositol phosphate phosphohydrolase (DIPP). Enzyme này khử gốc phosphate của PP-InsP5 (InsP7) và [PP]2-InsP4 (InsP8). Lưu ý là nó chỉ khử gốc β-phosphate từ gốc diphosphate mà thôi.

-          PP-InsP5 kinase. Kinase gắn gốc phosphate vào PP-InsP5 để tạo thành [PP]2-InsP4. Cũng giống như InsP6 kinase, enzyme này cũng có khả năng tạo ATP trong các quá trình phosphoryl hóa thuận nghịch.

-          Và một số enzyme khác như Ins1,3,4P3 6-kinase, Ins1,3,4,6P4 5-kinase, Ins1,4,5,6P4 3-kinase,…

Lộ trình tín hiệu của inositol 1,4,5-triphosphate (InsP3)/Ca2+

Lộ trình tín hiệu này sử dụng InsP3 là chất truyền  tin thứ hai để huy động Ca2+ từ nguồn dự trữ nội bào. Khi các kích thích ngoại bào tác động vào thụ thể trên bề mặt tế bào, chúng hoạt hóa enzyme phospholipase C (PLC), enzyme này thủy phân PtdIns4,5P2 để tạo thành InsP3 và diacylglycerol (DAG). Lộ trình tín hiệu tách thành hai nhánh,InsP3 sinh ra tín hiệu Ca2+ còn DAG hoạt hóa protein kinase C (PKC). InsP3 được giải phóng từ màng tế bào, khuếch tán vào tế bào chất và gắn kết với thụ thể của nó (InsP3Rs) để giải phóng Ca2+ từ ER.

Quá trình hoạt động của insP3/Ca2+ có thể được chia ra thành một số phần:

-          PtdIns chuyển thành tiền chất lipid PtdIns4,5P2.

-          Sự thủy phân của PtdIns4,5P2 để sinh ra InsP3 và DAG.

-          Sự chuyển hóa của InsP3 và DAG để tái tổng hợp PtdIns.

-          Sự giải phóng Ca2+ và inositol 1,4,5-triphosphate.

PtdIns chuyển thành tiền chất lipid PtdIns4,5P2

Quá trình tiền chất PtdIns4,5P2 được thủy phân để tạo thành InsP3 là một giai đoạn trong chuỗi lộ trình tín hiệu phức tạp của inositol lipid. Quá trình tổng hợp PtdIns4,5P2 từ PtdIns được vận hành bởi hai chu trình cơ chất bao gồm lipid kinase và phosphatase (đã giới thiệu ở trên). Trong giai đoạn đầu tiên, gốc hydroxy tại vị trí số 4 của vòng inositol được phosphoryl hóa để tạo PtdIns4P. Sau đó, PtdIns4P được phosphoryl hóa tiếp tục để tạo thành PtdIns4,5P2. Bước cuối cùng là sự thủy phân phụ thuộc agnoist, sẽ biến PtdIns4,5P2 thành InsP3 và diacylglycerol (DAG).

Hình 41.34: Sự hình thành chất truyền tin thứ hai InsP3 và DAG phụ thuộc vào Agonist. Các phân tử inositol lipid hoạt động trong chuỗi tín hiệu này nằm ở mặt trong của màng tế bào. Tiền chất lipid là phosphatidylinositol được phosphoryl hóa liên tục. Đầu tiên là tại vị trí số 4 để hình thành PtdIns4P và sau đó là tại vị trí số 5 để hình thành PtdIns4,5P2. Sự hoạt hóa thụ thể trên màng tế bào dẫn truyền tín hiệu đến protein Gq/11 để phosphoryl hóa PLC. PLC sau đó thủy phân PtdIns4,5P2 để sinh ra inositol 1,4,5-triphosphate. InsP3 hoạt hóa tín hiệu của Ca2+ và DAG để kích hoạt PKC – protein thực hiện chức năng phosphoryl hóa để truyền tiếp tín hiệu.

Sự chuyển hóa của InsP3 và DAG để tái tổng hợp PtdIns

Sự chuyển hóa InsP3 và DAG để tái tổng hợp PtdIns là một phải ứng ngắt tín hiệu (OFF reaction), có chức năng quyết định hoạt động của hai phân tử tín hiệu này. DAG và InsP3 đều có 2 con đường chuyển hóa riêng.

-          Sự chuyển hóa DAG. DAG là một chất truyền tin thứ hai được tổng hợp bởi hai lộ trình khác nhau. Nó có thể được phosphoryl hóa bởi DAG kinase để hình thành acid phosphatidic hoặc bị thủy phân bởi DAG lipase. PA được vận chuyển vào ER. Tại đó nó phản ứng với CTP để hình thafh phức hợp CDP/DAG – tiền chất để tổng hợp nên PtdIns.

o   DAG kinase α có motif liên kết Ca2+ dạng cánh tay EF và vùng đầu tận N recoverin homology có liên quan đến họ recoverin của các sensor Ca2+ của tế bào neuron. DAGKα đáp ứng với sự tăng nồng độ Ca2+, chuyển vị vào màng tế bào tại vị trí hoạt động của nó để phosphoryl hóa DAG nhằm tạo thành acid phosphatidic.

o   DAG lipase có tác dụng loại bỏ một đuôi acid béo ở vị trí sn (sn-position) của DAG để tạo thành monoacylclycerol. Sự thủy phân của DAG được xem là cơ chế chủ yếu để loại bỏ DAG và tổng hợp nên các inositol lipids.

Hình 41.35: Những vai trò của lộ trình InsP3/Ca2+. Chức năng huy động Ca2+ của InsP3 có khả năng điều hành nhiều quá trình sống khác nhau của tế bào và với nhiều loại tế bào khác nhau.

-          Lộ trình tín hiệu của InsP3 và Ca2+. Chức năng chính của InsP3 là hoạt động như một chất truyền tin thứ hai để giải phóng Ca2+ từ hệ thống dự trữ nội bào. Các thụ thể của InsP3 nằm trên ER và khi có tín hiệu từ InsP3, chúng sẽ giải phóng Ca2+ ồ ạt. Các thụ thể InsP3Rs này nhạy cảm với cả insP3 và Ca2+, do vậy có thể hoạt động như là một phân tử dò liên hợp tức thời (co-incident detectors). Hệ thống tín hiệu InsP3/Ca2+ điều hành rất nhiều các quá trình khác nhau của tế bào trong một lượng lớn các loại tế bào khác nhau.

o   Cơ chế chuyển hóa của InsP3. InsP3 được tạo thành thông qua cơ chế chuyển hóa của inositol phosphate để cuối cùng tạo thành phân tử inositol tự do. Nó bị khử gốc phosphate bởi enzyme inositol polyphosphate 5-phosphatase loại I để tạo thành InsP1,4P2 hoặc có thể được phosphoryl hóa bởi InsP3 3-kinase để tạo thành Ins1,3,4,5P4. Hai sản phẩm này sau đó tham gia vào con đường chuyển hóa phức tạp có vai trò tái chế gốc inositol. Do vậy, tế bào có ba nguồn cung cấp inositol chính: (1) Tái chế từ phân tử truyền tin thứ hai InsP3, (2) tổng hợp từ glucose 6-phosphate và (3) được lấy từ huyết tương thông qua nguồn thức ăn từ ngoài cung cấp. Các loại thuốc như là Lithium và valproate có thể gây hưng trầm cảm khi giảm nguồn cung cấp inositol qua cơ chế ức chế inositol monophosphatase (lithium) và inositol synthase (valproate).

Hình 41.36: Sơ đồ cơ chế hoạt động và vị trí tác động của Lithium và valproate.

Cơ chế tổng hợp PtdIns

Hai chất truyền tin thứ hai được tạo thành trong lộ trình tín hiệu phosphoinositide có thể được tái tạo trở lại thành một tiền chất lipid gọi là PtdIns4,5P2 thông qua những bước sau:

-          Quá trình chuyển đổi PtdIns thành PtdIns4,5P2.

-          Quá trình hoạt hóa phospholipase C phụ thuộc agonist: Thủy phân PtdIns4,5P2 để tạo ra 1,4,5-trisphosphate (InsP3) và DAG.

-          InsP3 được tái tạo trở lại thành inositol. DAG được phosphoryl hóa bởi DAG kinase để tạo thành acid phosphatidic hoặc bị thủy phân bởi DAG lipase để tạo thành monoacylglycerol (MAG).

-          Acid phosphatidic được chuyển từ màng tế bào vào trong ER. Tại đó, nó tương tác với CTP để tạo thành CDP/DAG với sự xúc tác của CDP/DAG synthetase. Inositol đính vào phức hợp CDP/DAG để tạo thành PtdIns. [CDP là cytidine diphosphate]

-          PtdIns sau đó được chuyển từ ER trở lại màng tế bào bởi PtdIns transfer protein (PITP). Tế bào có hai phân tử PITP là α và β được tổng hợp ở các gene khác nhau. Trong đó phân tử β là loại phân tử housekeeper cần thiết cho sự tồn tại của tế bào còn phân tử α có các chức năng chuyên biệt hơn. Khi PtdIns gắn trở lại vào màng tế bào, nó có thể được chuyển đổi một lần nữa thông qua hai phản ứng phosphoryl hóa để duy trì nguồn cung cấp PtdIns4,5P2.

-          Tế bào cũng có thể sử dụng inositol tự do trong tế bào chất thông qua hoạt động của kênh đồng vận chuyển myo-inositol phụ thuộc Na+ (SMIT1).

Hình 41.37: Sự tái chế InsP3 và DAG. Tế bào có 3 nguồn inositol chính. (1) Được tổng hợp từ G-6-PO4 với xúc tác của inositol synthase, (2) từ kênh đồng vận chuyển myo-inositol phụ thuộc Na+ (Sodium-dependent myo-inositol cotransporter-1, SMIT1) hoặc (3) bởi sự tái chế InsP3.

 

Phospholipase C (PLC)

PLC thủy phân PtdIns4,5P2 để tạo ra InsP3 và DAG. Nó có 5 phân lớp (subclasses), mỗi phân lớp lại có nhiều đồng phân khác nhau.

Hình 41.38: Vùng cấu trúc và cơ chế hoạt hóa của các đồng phân PLC. Vùng pleckstrin homology (PH), 4 vùng cánh tay EF, vùng xúc tác X và Y, vùng C2 là những thành phần chung của các đồng phân PLC. Lưu ý rằng, hai đồng phân γ không có vùng C2 nhưng lại có vùng Scr homology 2 (SH2) và Src homology 3 (SH3) tại nơi phân cắt của vùng PH. Hình tam giác màu đen mô tả vùng có sự phosphoryl hóa tyrosine để hoạt hóa PLCγ. Hình không mô tả sự hiện diện của PLC ϛ vì nó chỉ hiện diện tại quá trình thụ tinh.

Sau đây chúng ta tìm hiểu thêm về PLβ.

Phospholipase Cβ

PLCβ được hoạt hóa chủ yếu thông qua cơ chế hoạt động của GPCRs. PLCβ1 và β3 có ở hầu hết các mô trong khi β2 và β4 chỉ có ở một số mô nhất định. Cơ chế hoạt hóa của PLCβ liên quan đến GPCR (Gq, G11, G14, G15 và G16). Gq và G11 được tìm thấy trong hầu hết các mô còn G14, G15 và G16 được tìm thấy trong các tế bào có nguồn gốc từ các nguyên bào tạo máu (haematopoetic origin). Chức năng của các G protein trong trường hợp này rất phức tạp bởi vì các đồng phần của PLCβ nhạy cảm với cả tiểu đơn vị α và phức hợp tiểu đơn vị βγ. PLCβ1  và PLCβ4 rất nhạy cảm với tiểu đơn vị α còn PLCβ2 và PLCβ3 lại nhảy cảm với phức hợp tiểu đơn vị βγ. Sự nhạy cảm với phức hợp tiểu đơn vị βγ của PLCβ2 và PLCβ3 giải thích sự nhạy cảm với độc tố ho gà của PLC qua Gi protein. Nhưng nhìn chung thì Gβγ ít nhạy cảm hơn Gα trong các quá trình hoạt hóa PLC.

PLCβ có chứa hoạt tính GAP (GTPase-activating protein) nên có thể kích hoạt hoạt động GTPase nội sinh của tiểu đơn vị α. Khi một agonist tương tác với GPCR, nó sẽ sinh ra sự thay đổi về cấu trúc nội tại của protein này (đã được đề cập ở các chương trước). Kết quả là, tiểu đơn vị GTP/α có thể hoạt hóa PLCβ và sự hoạt hóa này sẽ kết thúc khi mà GTP bị thủy phân trở lại thành GDP. Mặt dù hoạt tính GTPase nội sinh của tiểu đơn vị α rất thấp nhưng nó được tăng cường bởi hai cơ chế:

-          Thứ nhất là hoạt tính GAP ở đầu C của PLCβ. Do vậy PLCβ đóng vai trò trực tiếp trong việc giới hạn chính chức năng của nó.

-          Thứ hai là bởi sự hiện diện của RGS protein. Có khoảng 20 loại RGS tuy nhiên loại 2-4 có tương tác hiệu quả với Gαq. Hoạt tính GTPase của Gαq được tăng cường gấp 25 lần bởi RGS4. Điều này giải thích vì sao một phân tử RGS protein đơn lẻ bám vào phức hợp thụ thể/Gαq lại có thể sinh ra cơ chế ức chế đặc hiệu bởi agonist. Cơ chế này có thể giải thích sự hiện diện của nhiều loại tín hiệu của Ca2+ trong tế bào quan bởi sự kích thích của các agonist khác nhau.

Protein kinase C

Protein kinase C được chia ra thành ba phân nhóm (subgroup):

-          PKCs “truyền thống” (convention) (cPKCs: α, β1, β2 và  γ) chứa vùng C1 và C2.

-           PKCs “mới” (novel) (nPKCs: δ, ε, η and θ) chứa vùng C1 và vùng giống C2.

-          PKCs không điển hình (aPKCs: ζ, ι and λ) chứa vùng C1 bị cắt gãy (truncated).

Cơ chế hoạt hóa những họ PKC khác nhau này rất phức tạp vì nó phụ thuộc vào rất nhiều quá trình. Cụ thể, nó bao gồm giai đoạn mồi (priming), chuyển vị và liên hợp với các protein giàng (scaffolding). Giai đoạn mồi là một chuỗi các quá trình phosphoryl hóa xảy ra trước khi enzyme có thể thực hiện chức năng tín hiệu của nó. Protein mới được tổng sẽ ở trạng thái bất hoạt và được phosphoryl hóa bởi phosphoinositide-dependent protein kinase 1 (PDK1) ở vị trí số C4 trong giai đoạn mồi. Sau đó, phản ứng tự phosphoryl hóa sẽ xảy ra ở hai vùng khác tại đầu C. Enzyme được “mồi hóa” sau đó sẽ có chức năng thông tin khi đáp ứng với DAG và Ca2+. cPKCs và hầu hết các nPKCs là những enzyme nhạy cảm lipid được hoạt hóa bởi DAG tại vùng C1. Trong trường hợp của cPKCs, Ca2+ đóng vai trò là một cofactor (cộng tố), bám vào vùng C2 để tăng ái lực của nó với các acidic phospholipid và do vậy gây ra sự chuyển vị của cPKCs, di chuyển đến màng tế bào.

Sự hoạt hóa cPKC trải qua các quá trình phức tạp mà khởi đầu là sự thủy phân của PtdIns4,5P2 để hình thành DAG và inositol1,4,5P3. InsP3 sau đó sẽ giải phóng Ca2+ rồi Ca2+ bám vào vùng C2, gây ra sự biến đổi cấu trúc của cPKC. Do vậy, nó tăng mạnh ái lực của cPKC với màng tế bào do vậy nó sẽ được chuyển tới màng tế bào và tạo liên lạc với DAG.

Hình 41.40: Cấu trúc các phân tử PKC và cơ chế hoạt hóa của cPKC. Lưu ý là ở giai đoạn cuối cùng vùng giả cơ chất (pseudosubtrate) cách xa vùng hoạt động trở thành nơi phosphoryl hóa cơ chất.

Chức năng chính của PKC

Các PKC có chức năng điều hòa nhiều quá trình sống của tế bào:

-          PKCε điều hành kênh Ca2+ týp N.

-          PKC là một kinase có chức năng phosphoryl hóa yếu tố phiên mã p53.

-          PKC điều hòa thuộc tính gắn Calmodulin của các protein như là neuromodulin và neurogranin chẳng hạn.

-          PKC có chức năng điều biến kênh Cav1.2 týp L trong cơ tim.

Các phân tử tín hiệu của lộ trình phosphoinositide lipid

Một vài phân tử phosphoinositide được tạo ra từ sự chuyển hóa PtdIns có chức năng tín hiệu quan trọng và thường nằm ở một vài vùng đặc biệt của tế bào. Một trong những hệ linh hoạt nhất là PtdIns4,5P2.  Một hệ thống khác cũng quan trọng không kém đó là PtdIns 3-kinase, có vai trò hình thành PtdIns3,4,5P3 – một chất truyền tin thứ hai hoạt hóa nhiều quá trình của tế bào. Ngày càng nhiều bằng chứng cho thấy rằng một vài lipids khác như PtdIns3P, PtdIns4P và PtdIns5P cũng có thể có chức năng thông tin.

Một vài chức năng chính của PtdIns4,5P2:

-          Điều hòa sự tái cấu trúc của sợi actin.

-          Điều hòa sự neo màng tế bào (membrane trafficking) sự nhập bào.

-          Điều hòa sự xuất bào.

-          Hoạt hóa phospholipase D.

-          Điều hòa các kênh ion và các kênh chuyển đổi (exchangers)

-          Điều hòa sự thực bào.

Hình 41.41: Mô tả các chức năng của PtdIns4,5P2.

Chức năng của PtdIns 3-kinase

PtdIns 3-kinase xúc tác quá trình tạo ra phosphatidylinositol 3,4,5triphosphate – một phân tử có chức năng điều hòa rất nhiều các quá trình sống của tế bào. Ví dụ như quá trình chuyển hóa glycogen, tổng hợp lipid, tổng hợp protein, phiên mã và và sự tăng trưởng của tế bào, quá trình viêm, tái sắp xếp lại khung xương tế bào và apoptosis. Vì vậy, PtdIns 3-kinase có chức năng đặc biệt trong sự tồn tại của tế bào thông qua hoạt động của nó đến quá trình điều biến apoptosis bởi hormone bằng cách tăng biểu hiện hoạt động của TOR (target of ramapycin). Lộ trình tín hiệu của PtdIns 3-kinase là một trong những con đường chính yếu của thụ thể insulin trong quá trình điều hòa quá trình thu giữ và điều hòa năng lượng.

Lộ trình tín hiệu của lipid này ngoài chức năng trên còn có quan hệ đặc biệt với tín hiệu của Ca2+ do vậy nó giúp cho các thông tin từ bên ngoài được chuyển từ ngoài vào trong thông qua lộ trình tín hiệu inositol1,4,5triphosphate/Ca2+.

Hình 41.42: Cơ chế điều hòa kênh K+ bởi sự thủy phân phụ thuộc agonist của PtdIns4,5P2. Sau khi bị kích thích bởi agonist, PLC được hoạt hóa. PLC sẽ thủy phân PtdIns4,5P2 thành InsP3 và DAG. Phản ứng này làm cho kênh đóng lại và kênh sẽ lại mở ra khi một phân tử PtdIns4,5P2 trở lại gắn vào vùng gắn kết lipid của kênh. Nguồn cung cấp PtdIns4,5P2 được duy trì bởi sự tái tổng hợp PtdIns và các phản ứng phosphoryl hóa sau đó dưới xúc tác của PtdIns 4-kinase và PtdIns4P 5-kinase.

Hình 41.43: Mô tả lộ trình tín hiệu của PtdIns 3-kinase. Tiền chất PtdIns4,5P2 được phosphoryl hóa tại vị trí số 3 bởi PtdIns 3-kinase lớp I sẽ sinh ra chất truyền tin thứ hai có tên là PtdIns3,4,5P3. Enzyme lớp IA có đơn vị điều hòa như p85 gắn kết với tiểu đơn vị xúc tác p110 để phosphoryl hóa amino acid tyrosine ở vùng tế bào chất của thụ thể hoạt hóa yếu tố tăng trưởng. Enzyme lớp IB (p110γ) được hoạt hóa bởi GPCRs sẽ chuyển vị lên màng tế bào bằng cách gắn với tiểu đơn vị βγ. Khi được mang trở lại vùng lân cận (vicinity) của màng tế bào, những enzyme PtdIns 3-kinase này sẽ tạo ra PtdIns3,4,5 để điều hòa các quá trình sống của tế bào. Nó cũng gắn kết với các thành phần của các tín hiệu khác như là Btk và PLCγ (màu hồng). Nó hoạt hóa enzyme phosphoinositide-dependent kinase 1/2 (PDK1/2) và protein kinase B để hoạt hóa một lượng lớn các phân tử đích thuận dòng (màu vàng). Nó cũng hoạt hóa các G protein (Rac, Rho và Cdc42) để kích hoạt sự tái sắp xếp khung xương tế bào và cả quá trình hình thành nên các gốc superoxide (màu xanh lá).

Hoạt động của PtdIns 3-kinase có thể phân thành hai phần:

-          Sự hình thành và chuyển hóa của các phân tử tín hiệu 3-phosphorylated lipid: Tế bào có nhiều phân tử phosphoinositides mang một gốc phosphate tại vị trí số 3. Đặc biệt nhất là PtdIns3,4,5P3 – một phân tử truyền tin thứ hai chính trong lộ trình tín hiệu của PtdIns 3-kinase. Phân tử này được tạo thành trong tế bào thông qua sự hoạt hóa thụ thể của GPCR và thụ thể tyrosine-coupled.

-          Phương thức hoạt động của các phân tử tín hiệu 3-phosphorylated lipid: PtdIns3,4P2 và PtdIns3,4,5P3 tác dụng ở mặt trong màng tế bào bằng cách nối kết với một lượng lớn các protein đích. Hầu hết các mục tiêu trong chuỗi truyền thông tin xuôi dòng này là những protein tan trong nước. Các protein này gắn được vào màng tế bào là nhờ liên kết với các phân tử tín hiệu lipid tại vị trí gắn kết như pleckstrin homology (PH), Phox homology (PX), vùng C2 và các vùng amino acid căn bản. Khi gắn kết vào màng tế bào, những protein đích này được hoạt hóa và hoạt động như một chất tác hiệu để điều khiển các quá trình sống của tế bào. Cụ thể một vài sự kiện tiêu biểu sau:

o   Tham gia cơ chế tín hiệu của tế bào gan để kiểm soát chuyển hóa glycogen.

o   Là cơ chế hoạt động của insulin trong quá trình kiểm soát sự tổng hợp glycogen ở tế bào cơ bám xương.

o   Tham gia trong hoạt động của tế bào mỡ trắng để kiểm soát chuyển hóa lipid.

o   Tham gia trong quá trình phát triển của tế bào.

o   Lộ trình tín hiệu của PtdIns 3-kinase trong sự phì đại cơ tim là một ví dụ cho thấy hệ thống tín hiệu này có nhiều chức năng trong cùng một tế bào. (Ví dụ như ức chế apoptosis, hoạt hóa tổng hợp protein và làm cho quá trình phiên mã gene ở bào thai xảy ra thuận lợi,…)

o   Điều hòa lượng Ca2+ phụ thuộc vào InsP3 được giải phóng trong quá trình phosphoryl hóa thụ thể của InsP3.

o   PtdIns3,4,5P3 hoạt hóa G protein Rac, Rho và Cdc42.

o   Có vai trò trong sự hình thành podosome của hủy cốt bào. (Podosome là vùng liên lạc duy nhất của đại thực bào và hủy cốt bào với chất dịch ngoại bào).

o   Và một vài quá trình khác.

Protein kinase B (PKB)

PKB còn được gọi là Akt, là một serine/threonine protein kinase. PKB gồm ba thành viên α,β và γ được hoạt hóa qua quá trình 2 giai đoạn sau:

-          Đầu tiên, nó chuyển vị đến màng tế bào bằng cách gắn kết với PtdIns3,4P2 hoặc PtdIns3,4,5P3 tại vùng pleckstrin homology (PH).

-          Bước tiếp theo phụ thuộc vào sự tương tác của nó với phosphoinositide-dependent kinase 1 (PDK1). Quá trình hoạt hóa kết thúc khi Thr-308 được phosphoryl hóa. Hơn nữa, DNA-dependent protein kinse (PDK2) cũng phosphoryl hóa Ser-473.

PKB được hoạt hóa sau đó kích hoạt nhiều phân tử đích, trong đó có glycogen synthase kinase-3 (GSK-3) – phân tử trung gian trong cơ chế tác động của insulin lên cơ chế chuyển hóa glycogen) và yếu tố tiền apoptosis Bad. Ngoài ra, PKB cũng có vai trò trong tín hiệu Redox trong apoptosis.

PKB là phân tử chìa khóa kiểm soát sự tăng trưởng của tế bào. Nó phosphoryl hóa tuberous clerosis 1 và 2 (TSC1/2) – các phân tử tham gia kiểm soát hoạt động của TOR. PKB cũng có thể đi vào trong nhân và phosphoryl hóa yếu tố chuyển mã orkhead box O (FOXO) – đóng vai trò quan trọng trong các quá trình điều hòa chu kì tế bào và apoptosis (xem thêm ở chương apoptosis và chu kì tế bào).

Glycogen synthase kinase-3 (GSK-3)

Một trong những chức năng cơ bản của insulin là hoạt động thông qua enzyme này để hoạt hóa sự chuyển đổi glucose thành glycogen bằng cách tăng hoạt tính của glycogen synthase. GSK-3 là một proline-directed protein kinase, nó cần một kinase mồi phosphoryl hóa cơ chất của nó trước khi nó tác dụng. Casein kinase I (CKI) thường đóng vai trò này. Ví dụ, CKI phosphoryl hóa β-catenin trong lộ trình tín hiệu của Wnt. Ngoài ra GSK-3 cũng tham gia vào các quá trình sau:

-          Phosphoryl hóa yếu tố nhân của tế bào T hoạt hóa (NFAT).

-          Là một trong những kinase phosphoryl hóa yếu tố phiên mã p53.

-          Tham gia vào quá trình thoái phân Myc.

-          Phosphoryl hóa neuron-specific microtubule-associated protein tau dẫn đến sự phức tạp (tangles) trong noeuron trong giai đoạn đầu của bệnh Alzheimer’s.

-          Đóng vai trò quan trọng trong quá trình phiên mã tế bào cơ tim.

Họ Tec tyrosine kinase

Tất cả các kinase này đều nằm trong tế bào chất nhưng đều có khả năng chuyển đến màng tế bào nhanh chóng thông qua vùng PH nhạy cảm với PtdIns3,4,5P3. Khi gắn vào màng tế bào, những enzyme này được phosphoryl hóa bởi họ Src tyrosine kinase như Lyn và Src. Do vậy, sự hoạt hóa này đòi hỏi cả quá trình chuyển vị và phosphoryl hóa amino acid tyrosine. Một trong những chức năng của Tec tyrosine kinase là tăng cường tín hiệu Ca2+ bằng cách duy trì hoạt động của PLCγ. Sự tăng cường hoạt tính của PLCγ là điểm quan trọng của mối tương tác giữa tín hiệu InsP3/Ca2+ và tín hiệu PtdIns 3-kinase.

Thụ thể Insulin

Insulin điều hòa nhiều hoạt động tế bào, rõ nét nhất là trong các quá trình thu nhận và dự trữ. Khả năng này của insulin đến từ bản chất thụ thể của nó – một thụ thể thuộc họ tyrosine kinase. Thành phần quan trọng trong cơ chế truyền tin là insulin receptor subtrate (IRS) và quá trình hoạt động của thụ thể dựa vào sự hoạt hóa lộ trình tín hiệu PtdIns 3-kinase.

Hình 41.44: Cơ chế hoạt hóa lộ trình tín hiệu PtdIns 3-kinase của thụ thể insulin. Thụ thể insulin là một thụ thể đồng dimer hóa (homodimer) liên kết với nhau bằng liên kết disulphide. Mỗi monomer bao gồm một chuỗi α ở ngoại bào có vùng gắn kết với insulin. Chuỗi β chứa một vùng có chuỗi đơn xuyên xuyên qua màng tế bào để liên kết với vùng nội bào – nơi chứa tyrosine kinase.

Thụ thể insulin hoạt động dựa vào sự hoạt hóa của lộ trình tín hiệu PtdIns 3-kinase. Thường thì sẽ trải qua các giai đoạn sau:

-          Insulin bám vào vùng ngoại bào và biến đổi cấu trúc thụ thể. Quá trình này hoạt hóa vùng tyrosine kinase ở mặt trong tế bào.

-          Khi được kích hoạt, vùng tyrosine kinase sẽ tự phosphoryl hóa ở 6 amino acid tyrosine trong phân tử ở phần nội bào của chuỗi β.

-          IRS tự nối kết với amino acid tyrosine đã phosphoryl hóa ở vị trí 972 và vùng tyrosine kinase sẽ phosphoryl hóa IRS ở nhiều vị trí khác nhau.

-          Phân tử tyrosine đã phosphoryl hóa trên IRS sau đó đóng vai trò là một chỗ neo cho các enzyme PtdIns 3-kinase lớp IA.

-          PI 3-K sẽ phosphoryl hóa PtdIns4,5P2 để tạo thành PtdIns3,4,5P3.

-          PtdIns3,4,5P3 hoạt hóa lộ trình tín hiệu của enzyme PtdIns 3-kinase để điều hòa các quá trình sau:

o   Kích hoạt sự tổng hợp lipid ở tế bào mỡ trắng.

o   Kích hoạt thu nhận glucose và tổng hợp glycogen trong tế bào cơ bám xương.

o   Kích hoạt tổng hợp glycogen ở tế bào gan.

Lưu ý: Bệnh tiểu đường sẽ xảy ra khi tế bào bắt đầu trở nên đề kháng với insulin.

Lộ trình tín hiệu của NO/cGMP

Hình 41.45: Mô tả cách thức hoạt động cơ bản của NO

NO là phân tử tín hiệu có khả năng khuếch tán tao và có thể di chuyển nhanh chóng xuyên màng tế bào. Nó có thể đóng vai trò là chất truyền tin thứ hai của tế bào tiết ra nó hoặc cũng có thể hoạt động ở tế bào lân cận như là một tác nhân tín hiệu cận tiết (paracrine).

NO synthase (NOS) có ba dạng:

-          Neuronal nitric oxide synthase (nNOS)

-          Inducible nitric oxide synthase (iNOS)

-          Endothelial nitric oxide synthase (eNOS)

Các enzyme khác nhau này có cùng cơ chế tổng hợp NO: Sử dụng L-arginine làm cơ chất, O2 và NADPH là các chất đồng cơ chất (cosubtrates) để tạo NO. Cơ chế điều hòa của ba enzyme trên rất khác nhau và phụ thuộc vào nơi tồn tại của nó trong tế bào.

NO có nhiều vai trò và có thể truyền tin theo nhiều cách khác nhau. Một trong những vai trò của NO được biết nhiều nhất là hoạt động thông qua lộ trình tín hiệu của cGMP để điều hành thuộc tính của các kênh ion, enzyme protein phosphatase hoặc cyclic nucleotide phosphodiesterase. NO cũng có thể hoạt động thông qua lộ trình tín hiệu của reactive nitrogen species (RNS), lúc này NO hoạt hóa các protein đích thông qua hoạt động nitrosyl hóa các protein này. Hoạt động NO/cGMP điều khiển các quá trình sau:

-          Giãn cơ trơn.

-          Hiện tượng synaptic plasticity.

-          Phì đại tim.

Sự tổng hợp NO

NO được tổng hợp bởi NOS (enzyme này được đặt tên theo loại tế bào nó được tìm thấy lần đầu tiên còn khả năng hoạt động của nó không bị giới hạn bởi tên gọi vì nó cùng tồn tại với nhau ở nhiều loại tế bào khác nhau). Mặc dù các enzyme này được điều hòa bằng nhiều phương thức khác nhau, chúng có cùng cơ chế tổng hợp NO.

-          eNOS được tìm thấy đầu tiên ở tế bào biểu mô. Tại đây, nó tổng hợp NO để đáp ứng với tác dụng của acetylcholine, thrombin và bradykin,… Cơ chế điều hòa của eNOS liên quan đến sự liên kết của nó với caveolin và phân tử điều hòa chìa khóa là Ca2+ (hoạt động thông qua calmodulin để kích hoạt enzyme giải phóng NO). NO sinh ra sẽ khuếch tán mạnh và điều hòa sự co giãn của cơ trơn do vậy có vai trò điều chỉnh huyết áp, sự phát triển của tế bào cơ trơn, sự kết tập tiểu cầu và sự kết dính của các tế bào bạch cầu. Khi nghiên cứu sự liên quan giữa NO/cGMP và phì đại cơ tim, người ta phát hiện là sự hiện diện của eNOS ở tế bào biểu mô có thể ngăn chặn sự phì đại của các tế bào cơ tim bên cạnh. Vì liên quan đến nhiều quá trình sống của tế bào, sự sai lệch trong cơ chế tổng hợp NO sẽ dẫn đến nhiều tình trạng bệnh lý như cao huyết áp, tiểu đường và tăng cholesterol máu,…

-          iNOS còn được biết đến như là NOS của tế bào miễn dịch vì nó được tìm thấy đầu tiên trong đại thực bào tại các vị trí có phản ứng viêm. Ngoài đại thực bào, iNOS còn được tìm thấy ở tế bào tim, cơ trơn mạch máu và các tế bào hạch,… Không giống hai enzyme còn lại, quá trình hoạt hóa iNOS lại không làm tăng nồng độ Ca2+. Tuy nhiên, iNOS vẫn liên kết với calmodulin – không thể thiếu trong quá trình hoạt hóa của iNOS. Quá trình hoạt động của iNOS phụ thuộc vào sự hiện diện của các thụ thể viêm và đáp ứng với interferon-γ cũng như lipopolysaccharide. Vì NO được tổng hợp rất nhiều, do vậy nó giúp tế bào chống lại sự tấn công của các vi sinh vật. Vì vậy, nó không hoàn toàn là một phân tử tín hiệu. Tuy nhiên, vì nó tổng hợp một lượng rất lớn NO tại vị trí viêm và các phân tử NO này vẫn có thể gây ra tác động ở các tế bào lân cận. Khi hiện tượng tăng điều hòa quá mức (large up-regluation) iNOS xảy ra, nó có thể dẫn đến hiện tượng giảm huyết áp bởi quá trình shock nội độc tố (endotoxic shock).

-          nNOS được tìm thấy đầu tiên trong neuron nhưng sau đó còn phát hiện ở tế bào cơ bám xương. nNOS ở neuron và cơ bám xương đều bám vào màng tế bào thông qua các protein khác nhau tại vùng PDZ. Ở neuron, nNOS bám vào postsynaptic density (PSD) protein (như PSD-93 và 95 chẳng hạn) còn ở tế bào cơ bám xương, nó liên kết với α1-syntrophin.

Hình 41.46: Lộ trình tín hiệu của NO/cGMP. NO có hai chức năng chính. (1) Kích hoạt sGC để tạo thành cGMP, phân tử này có thể hoạt động qua kênh cổng nucleotide vòng để tạo thành Ca2+, Ca2+ sau đó hoạt hóa GMP-dependent protein kinase (cGK). (2) Tác động thông qua cơ chế tín hiệu ROS. cGMP được tạo thành ở pGC – một thành phần của thụ thể xuyên màng sợi đơn được hoạt hóa bởi nhiều loại peptides khác nhau như là ANP, BNP, CNP và guanylin.

Nếu NO được tổng hợp quá mức có thể gây ra các bệnh lý như: Bệnh Hungtington’s, bệnh Alzheimer’s và cao huyết áp.

Guanylyl cyclase (GC) có hai thể:

-          Thể GC tan (sGC)

-          Thể bám màng (pGCs)

Lộ trình tín hiệu của cGMP liên quan đến GMP-dependent protein kinase (cGK). Hơn nữa, cGMP có thể hoạt động trực tiếp để mở kênh cổng nucleotide vòng. cGMP bị thủy phân bởi GMP-specific phosphodiesterase (PDE5). Lưu ý, trong trường hợp cGMP được tạo ra bởi pGC, nó hoạt động như một phototransduction chứ không liên quan đến hoạt động của NO.

Hình 41.47: Cơ chế hoạt động của NOS. Hai tiểu đơn vị NOS nằm sát nhau như hình vẽ. Các tiểu đơn vị này dóng vai trò như một cái khung để gắn các đơn vị hoạt động như FAD (flavin-adenine dinucleotide), FMN, BH4 (tetrahydrobioterin) và gắn chặt với CaM trong cấu trúc của mình. NO hình thành bởi dòng điện tử phụ thuộc NADPH đi xuyên qua vùng khử và vùng oxi hóa. Heam là chất nhận điện tử và gắn phân tử oxy vào phân tử arginine để tạo thành hydroxyarginine và giải phóng NO. Một trong những phân tử điều hòa quan trọng của NOS là calmodulin. (với iNOS thì không cần có sự hiện diện của Ca2+).

Lộ trình tín hiệu mitogen-activated protein kinase (MAPK)

Tổng quan

Hệ thống tín hiệu của hệ thống MAPK bao gồm một vài lộ trình có chức năng điều hòa một số quá trình tế bào như sự phiên mã gene, chuyển hóa, chuyển động, sự phát triển của tế bào, apoptosis, synaptic plasticity và trí nhớ dài hạn. Những chất tác hiệu xuôi dòng khác nhau được hoạt hóa bởi các thành phần cấu thành MAPK cuối cùng liên quan tới 3 lộ trình chính sau:

-          Lộ trình extracellular-signal-regulated kinase (ERK)

-          Lộ trình c-Jun N-terminal kinase (JNK)

-          Lộ trình p38

Hình 41.48: Minh họa các cơ chế hoạt động chính của MAPK. Dãy đầu tiên nhất từ trên xuống dưới mô tả tổng quát trình tự đáp ứng của hệ thống MAPK. Các tác nhân kích thích hoạt động thông qua nhiều chất truyền tin khác nhau để kích hoạt nguyên tố đầu tiên của lộ trình tín hiệu (bằng 1 trong 14 MAPKKKs khác nhau). MAPKKK sau đó phosphoryl hóa nguyên tố khác nhau (1 trong 7 MAPKKs). MAPKK sau đó phosphoryl hóa MAPKs (1 trong 12 MAPKs – đây là bước để xác định tên của lộ trình tín hiệu xảy ra.

Lộ trình ERK

Đây là một trong những lộ trình được hoạt hóa bởi lộ trình tín hiệu MAPK. Nó có các chức năng tín hiệu quan trọng như điều hành sự phát triển của tế bào, đáp ứng synaptic plasticity trong quá trình học tập và trí nhớ. Những thành phần MAPK/ERK kinase kinase chính yếu là một vài phân tử thuộc họ Raf như Raf-1, A-Raf và B-Raf. Chúng có chức năng phosphoryl hóa 2 phân tử serine trên MAPK/ERK kinase (MEK 1/2).

Điều quan trọng của lộ trình tín hiệu ERK là nó có thể được hoạt hóa bởi thụ thể protein tyrosine kinase-linked (PTKRs) và GPCRs cũng như khả năng tổ chức không gian của nó.

Đối với PTKRs, các yếu tố tăng trưởng như PDGF thường làm cho thụ thể dimer hóa và cho phép vùng tyrosine kinase tế bào chất di chuyển lại gần nhau và phosphoryl hóa lẫn nhau. Các thành phần sau khi bị phosphoryl hóa này sau đó trở thành một motif neo giữ để lôi kéo các thành phần tín hiệu như Shc, growth factor receptor-bound protein 2 (Grb2) và SoS. Sau đó chúng sẽ được hoạt hóa bởi Ras.

Hình 41.49: Mô phỏng lộ trình tín hiệu ERK. Có sự tham gia của Raf-1, MAPK/ERK kinase (MEK1/2) và ERK1/2. Chúng được hoạt hóa theo con đường PTKRs hoặc GPCRs.

Ras hoạt hóa sau đó sẽ tương tác với Raf để khởi đầu dòng phosphoryl hóa của lộ trình ERK. 3 thành phần của lộ trình này (Raf-1, MEK1/2 và ERK1/2) được sắp xếp trên bề mặt của màng tế bào bởi protein giá đỡ kinase suppressor of Ras 1 (KSR1). Dựa vào điểm này, tất cả quá trình chuyền tin đều xảy ra ở bề mặt màng tế bào và bước chuyển thông tin tiếp theo phụ thuộc vào khả năng khuếch tán của các enzyme đã được hoạt hóa từ bề mặt tế bào vào nhân. Một khi bị phosphoryl hóa, phospho-ERK1/2 rời khỏi màng tế bào, khuếch tán vào tế bào chất và đi vào nhân. Tại đây, nó sẽ phosphoryl hóa và hoạt hóa các yếu tố phiên mã. Một vài gene mã hóa cho các thành phần của lộ trình MAPK, như MAPK phosphatase 1 (MKP-1) sẽ tạo ra vòng tác hồi âm. Hơn nữa, phospho-ERK1/2 cũng có thể cùng hoạt động với Ca2+ để hoạt hóa phospholipase A2 tế bào chất (cPLA2). Ca2+ khiến cPLA2 kết hợp với màng tế bào. Ngược lại, ERK1/2 phosphoryl hóa Ser-505 và Ser-727 để kích hoạt sự giải phóng enzyme của arachidonic acid từ các tiền chất phospholipid.

Có nhiều cơ chế giả định liên quan đến sự hoạt hóa của GPCRs đối với lộ trình ERK. Phức hợp βγ có thể hoạt hóa Src để rồi dẫn đến sự hoạt hóa Ras. Arrestins có thể đóng vai trò giá đỡ để tập trung các thành phần tham gia vào lộ trình ERK như Raf1 và ERK1/2.

Sự hoạt hóa thủy phân phosphoinositide bởi Gq nhằm tạo ra InsP3 và DAG có thể liên quan đến lộ trình ERK qua hai cơ chế:

-          InsP3/Ca2+ có thể  hoạt động qua proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2).

-          DAG và Ca2+ hoạt động thông qua PKC.

Một trong những chức năng quan trọng của lộ trình ERK là hoạt hóa nhiều yếu tố phiên mã như cAMP response element-binding protein (CREB) và Elk-1,…

Lộ trình ERK có thể tham gia vào các quá trình hoạt  động của tế bào sau:

-          Điều hòa sự phát triển của tế bào như sự hoạt hóa tế bào T chẳng hạn.

-          Sự phì đại cơ tim.

-          Synaptic plasticity such as long-term potentiation (LTP) ở tế nào neuron của hồi hải mã.

-          Sự phát triển của tế bào biểu mô bởi quá trình hình thành thành mạch (angiogenesis).

-          Phosphoryl hóa yếu tố phiên mã p53.

-          Tái cấu trúc lộ trình ERK có thể dẫn đến sự phát triển của bệnh polycystic kidney disease.

-          Hoạt hóa phospholipiad A2 (PLA2) ở dưỡng bào (mast cells).

Lộ trình c-Jun N-terminal kinase (JNK)

Lộ trình JNK là một trong những lộ trình tín hiệu quan trọng của MAPK. Nó kiểm soát quá trình phát triển của tế bào, sự tăng trưởng phôi và apoptosis. Tên của lộ trình này đến từ các phân tử JNK1, JNK2 và JNK3 (là những phân tử mà MAPKs tương tác với những chất tác hiệu cuối cùng). Chúng chứa  motif phosphoryl hóa kép Thr-Pro-Tyr và motif này được phosphoryl hóa bởi dòng phosphoryl hóa ngược dòng (upstream phosphorylation cascade).

Lộ trình JNK được hoạt hóa bởi nhiều cơ chế chưa rõ ràng (bewildering). Sự phức tạo này là có bằng chứng vì có tới 13 phân tử MAPK kinase kinase (MAPKKKs) đáp ứng cho sự truyền tin. Để đơn giản, ta xét ví dụ điển hình nhất đối với lộ trình này: Sự hoạt hóa JNK bởi thụ thể interleukin-1.

Lộ trình JNK cũng có thể được hoạt hóa thông qua GPCRs thông qua protein G12/13. Tuy nhiên người ta vẫn chưa biết làm sao G protein đưa thông tin vào lộ trình tín hiệu. Nhưng đã tìm được một vài bằng chứng về sự hoạt hóa của các protein liên kết GTP như Rac và Cdc42. Arrestins liên quan đến GPCRs thông qua quá trình giải nhạy cảm thụ thể có thể là một giá đỡ giúp tụ tập các thành phần tham gia của lộ trình JNK (như MKP7 và JNK3 chẳng hạn). 

Hệ thống tín hiệu MAPK có tín chất tác hồi âm. Trong đó, một vài genes được hoạt hóa bởi lộ trình JNK sẽ mã hóa một vài thành phần tín hiệu đóng vai trò là protein giá đỡ như JNK-interacting protein 1 (JIP1) là một ví dụ. Phân tử này sẽ gắn với JNK và giới hạn hoạt động của nó.

Mộ vài quá trình tế bào mà JNK tham gia được biết là:

-          Phosphoryl hóa yếu tố phiên mã p53.

-          Sự phì đại cơ tim.

Hình 41.50: Minh họa lộ trình của JNK. Nó có thể được hoạt hóa bằng nhiều cách thông qua cơ chế thụ thể hoặc các yếu tố stress như đã đề cập ở trên. JNK có thể được hoạt hóa bởi nhiều cytokines khác nhau như interleukin-1 (được trình bày ở đây). Thụ thể IL-1R có hai vùng gắn thụ thể có tương tác với IL-1 và một protein không nối kết kèm theo. Khi được hoạt hóa bởi IL-1, protein đáp ứng là protein tumour-necrosis-factor-receptor-associated factor 6 (TRAF6) sẽ gắn với một MAPKKK là transforming growth factor β-activated kinase 1 (TAK1) để nối tiếp là dòng thác phosphoryl hóa dưới tác dụng của ERK kinase kinase 1 (MEKK1). MEKK1 sau đó sẽ phosphoryl hóa MKK7 (protein này có chức năng phosphoryl hóa tyrosine và threonine trên JNK). Các quá trình này xảy ra trên màng tế bào, được neo giữ bởi JIP1. Tín hiệu sau đó sẽ vào nhân và hoạt hóa các yếu tố phiên mã để tạo ra các đáp ứng tế bào.

Lộ trình p38

Lộ trình này điều hòa quá trình apoptosis và sự giải phóng cytokines của đại thực bào và bạch cầu trung tính. Lộ trình này mang tên của họ protein p38 kinase (phân tử mà MAPK tương tác với những chất tác hiệu cuối cùng).

Lộ trình p38 có thể được hoạt hóa bởi nhiều cơ chế thụ thể khác nhau hoặc bởi nhiều tình trạng stress của môi trường khác nhau (áp suất thẩm thấu, sự oxy hóa khử hay bức xạ,…). Ví dụ, một trong những mục tiêu của lộ trình p38 (khi bị hoạt hóa bởi tia UV) là enzyme Cdc25 (phân tử điều hòa chu kì tế bào trước khi thụ thai). Sự hoạt hóa Ser-323 trên Cdc25B dẫn đến sự gắn kết với protein 14-3-3 và hậu quả là ngăn chặn enzyme này đi vào quá trình nguyên phân.

Lộ trình tín hiệu của thụ thể Toll là một ví dụ minh họa, góp phân giải thích cơ chế hoạt hóa của lộ trình p38 (nó được hoạt hóa khi lipopolysaccharide gắn kết với thụ thể Toll).

Các thuộc tính của lộ trình tín hiệu MAPK

Lộ trình này có nhiều thuộc tính quan trọng. Nhờ những thuộc tính này mà hiệu suất hoạt động của nó được tăng cường rất mạnh mẽ.

-          Thuộc tính về thời gian: Kết quả của lộ trình phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố thời gian, đặc biệt là thời gian tồn tại tín hiệu. Ví dụ, một kích thích lâu dài rất cần thiết để gây ra sự phát triển của tế bào.

-          Sự chính xác: 3 lộ trình tín hiệu chính có nhiều đặc điểm chung như: Dùng chung các phân tử thành phần tín hiệu, được hoạt hóa bởi cùng một thành phần tín hiệu đầu vào (đặc biệt là JNK và p38) và nó có thể điều hòa các quá trình tế bào giống nhau. Do vậy, câu hỏi đặt ra là làm cách nào các lộ trình tín hiệu này có thể đạt được độ chính xác để có thể gây ra các tác dụng riêng biệt? Trung tâm của câu trả lời có lẽ nằm ở phân tử giá đỡ đặc trưng cho từng loại tín hiệu. Bằng cách này, thông tin có thể được truyền qua các thành phần tiếp theo mà không bị can thiệp bởi các lộ trình tín hiệu khác. Ví dụ, như phân tử KSR1 và JIP1 đã đề cập ở trên. Ngoài ra, còn cần phải nhắc đến vai trò của các vị trí neo giữ các phân tử tác hiệu xuôi dòng.

-          Sự tái cấu trúc kiểu hình. Lộ trình tín hiệu MAPK có các vòng tự điều hòa khác nhau ở các thành phần tham gia lộ trình khác nhau, do vậy nó có thể điều hòa sự biểu hiện của chúng. Ví dụ, Lộ trình ERK có thể điều hòa sự biểu hiện của MAPK phosphatase 1 (MKP1) trong khi lộ trình JNK có thể điều hòa biểu hiện của JIP1. Các phân tử này sau khi được sinh ra sẽ tạo lập một vòng tác hồi âm để có thể giới hạn hoạt động của lộ trình MAPK. Đây là ví dụ điển hình của hiện tượng ổn định tín hiệu (signalsome stability). Hiện tượng này cũng có thể xuất hiện ở sự phát triển bất thường các tế bào trong bệnh polycystic kidney disease.

 

 

Lộ trình tín hiệu của Nuclear factor κB (NF-κB)

Yếu tố phiên mã NF-κB được hoạt hóa bởi nhiều tác nhân như TNFs, IL-1 và các mẫu phân tử có liên quan đến tác nhân gây bệnh (pathogen-associated molecular patterns – PAMPs). Lộ trình này có liên quan đến các sự kiện kiểm soát phản ứng viêm, sự phát triển tế bào và apoptosis. NF-κB thuộc về nhóm các yếu tố phiên mã tiềm tàng (lie latent) trong tế bào chất và được chuyển vào trong nhân khi bị hoạt hóa. Sự đa dạng về các quá trình thuận dòng của các phân tử tác hiệu là bằng chứng tồn tại cho nhiều cơ chế tín hiệu khác nhau và là bằng chứng cho sự tồn tại của các bộ công cụ tín hiệu của NF-κB.

Có hai phương diện cần được nhắc đến khi nói về lộ trình tín hiệu của NF-κB như sau:

-          Nó kiểm soát một lượng lớn gene và các gene này thường được hoạt hóa ở các tế bào đặc hiệu với các tác nhân kích thích khác nhau.

-          Nó là trung gian của nhiều hệ thống lộ trình tín hiệu khác nhau với các cơ chế và thành phần tham dự rất phức tạp mà đến nay còn chưa được hiểu hết. Lộ trình tín hiệu của TNFα và của thụ thể Toll sẽ được đề cập nhiều hơn.

Receptor activator of NF-κB ligand (RANKL) là một protein xuyên màng thuộc về họ TNF của cytokines có khả năng hoạt hóa thụ thể RANK dùng lộ trình tín hiệu NF-κB để kiểm soát quá trình osteoclastogenesis.

Bộ công cụ của lộ trình NF-κB

Bao gồm 3 lớp chính:

-          Họ NF-κB/Ref: Gồm 5 thành viên. Danh pháp của các thành viên này vẫn chưa được thống nhất. Ở đây dùng hệ thống tên gọi là p50, p52, p65, RelB và c-Rel. Tất cả thành viên của họ này đều chứa vùng Rel homology (RHD) ở đầu N – nơi gắn kết với DNA. RHD được dùng để ám chỉ sự liên quan giữa NF-κB với protein ức chế NF-κB (IκB). Họ  này có cấu trúc dị dimer hóa và phức hợp p50/p65 là thành phần được phát hiện sớm nhất. Một vài thành viên có thể tạo cấu trúc đồng dimer hóa như là p50/p50 và p52/p52,… và các thành phần này là chất kiềm hãm các gene nhạy cảm NF-κB.

-          IκB được phân loại bởi vùng lập lại các phân tử ankyrin. Chức năng của nó trong mối tương tác với NF-κB là hình thành một phức hợp bất hoạt nằm trong tế bào chất. Nó ức chế sự phiên mã nhờ khả năng che tín hiệu vị trí nhân (nuclear localization signal – NLS) trên NF-κB, do vậy ngăn chặn NF-κB đi vào trong nhân. Phức hợp NF-κB/IκB duy trì tình trạng bất hoạt trong tế bào chất cho đến khi nào IκB bị loại bỏ khi lộ trình tín hiệu NF-κB xảy ra. Nét đặc trưng của lộ trình NF-κB phụ thuộc vào các đồng phân IκB với khả năng gắn kết với các phân tử họ NF-κB/Rel khác nhau.

-          IκB kinase (IKKS) tồn tại ở dạng dị dimer hóa và có chức năng phosphoryl hóa IκB để đánh dấu nó cho quá trình giáng chức bởi proteasome. Vùng kinase nằm ở đầu N, còn đầu C có vùng khóa leucine (leucine zipper) và vùng helix-loop-helix. Hai vùng kết hợp protein  cho phép enzyme kết hợp với một lượng lớn các phức hợp tiểu đơn vị trong tế bào chất. Một trong những thành phần quan trọng khác của phức hợp này là phân tử điều biến đặc hiệu cho NF-κB (NF-κB essential modulator – NEMO, IKKγ). Đây là tiểu đơn vị điều hòa/cấu trúc cho hoạt động của các kinase ngược dòng trên thụ thể như là một phần của lộ trình tín hiệu TNFα. Phân tử ức chế khối u CYLD gắn vào NEMO và bất hoạt sự phosphoryl hóa IκB là một phần của lộ trình tín hiệu TNFα.

Hình 41.51: Cấu trúc các thành phần của bộ công cụ trong lộ trình tín hiệu NF-κB

Lộ trình tín hiệu của TNFα

Chức năng cơ bản của họ yếu tố phiên mã NF-κB/Rel là sau khi được hoạt hóa trong môi trường tế bào chất se được chuyển vào trong nhân để hoạt hóa phiên mã. Có rất nhiều cách di chuyển vào nhân của các yếu tố này, phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào và các thụ thể được hoạt hóa. Ngoài ra, các thụ thể không gắn enzyme có thể hoạt hóa các lộ trình tín hiệu khác. Ở dây, chúng ta sẽ tập trung vào lộ trình NF-κB với sự tham gia của TNFα. Một số cơ chế cổ điển được mô tả trong các sự kiện sau đây:

-          Khi TNF gắn vào thụ thể TNF (TNF-R) thì thụ thể sẽ oligomer hóa để tạo thành phức hợp có ái lực với TRADD và TNFR-associated factor 2 (TRAF2) – hai phân tử thuộc về họ TNF-receptor-associated factor (TRAF).

-          TRAF2 là một RING domain E3 ubiquitin ligase có liên quan đến các phức hợp dị trimer hóa ubiquitin-conjugating (E2) có chứa Ubc13 và Uev1A. Phức hợp ubiquitin hóa K63 đính chuỗi ubiquitin vào TRAF2 và điều này giúp bổ sung (recruit) receptor-interacting protein 1 (RIP1) đã được ubiquitin hóa. Chuỗi ubiquitin có chức năng tạo nếp gấp của các yếu tố tăng cường thêm trong lộ trình tín hiệu

-          Phức hợp thụ thể phát triển (developing receptor complex) thu hút các thành phần tăng cường như là transforming growth factor β activated kinase-1 (TAK1), TAK1-binding (TAB) protein 2 và 3 (TAB2/3) và các phức hợp đa tiểu đơn vị trong tế bào chất như NF-κB kinase (IKK) α/IKKβ dimer và tiểu đơn vị NEMO. Các thành phần này đóng vai trò trung tâm trong quá trình chuyển vị.

-          Khi phức hợp trên hình thành, TAK1 phosphoryl hóa và hoạt hóa IKKβ.

Hình 41.52: Mô tả lộ trình tín hiệu NF-κB khi bị hoạt hóa bởi TNFR

-          IKKβ sau đó sẽ phosphoryl hóa IκBα ở hai vị trí (Ser-32 và Ser-36).

-          IκBα trở nên nhạy cảm và dễ bị ubiquitin hóa bởi Skp1/cullin/F-box (SCF) ubiquitin ligase.

-          Phức hợp IκBα đã bị polyubiquitin hóa sẽ được gửi đến proteasome và bị phân hủy ở đây. Kết quả của quá trình này là sự sinh ra NF-κB dị dimer hóa p50/p65.

-          NF-κB được chuyển vào trong nhân và gắn với nguyên tố promoter κB để hoạt hóa sự biểu hiện của nhiều gene khác nhau.

-          Quá trình phiên mã sẽ dừng lại khi NF-κB được chuyển khỏi nhân. Một trong những gene được hoạt hóa bởi NF-κB là IκBα. Điều này sinh ra một vòng tác hồi âm.

-          Lộ trình tín hiệu ubiquitin góp phần phục hồi lộ trình tín hiệu này để hồi phục dòng thác thông tin sau khi TNFα bị loại bỏ. Các enzyme bị khử ubiquitin A20 và CYLD được hoạt hóa trong quá trình loại bỏ chuỗi ubiquitin.

Lộ trình tín hiệu thụ thể Toll

Lộ trình tín hiệu của thụ thể Toll đóng vai trò quan trọng trong các đáp ứng viêm. Lộ trình này được hoạt hóa bởi hai loại kích thích:

-          Cytokines: Cụ thể là IL-1.

-          Phân tử kích hoạt sinh ra từ các yếu tố gây bệnh như là pathogen-associated molecular patterns (PAMPs).

PAMPs hoạt động trên thụ thể Toll-like và thụ thể IL-1 và những thụ thể này hình thành họ thụ thể TLR/IL-1R hoạt động thông qua lộ trình tín hiệu có nhiều nét tương đồng với lộ trình tín hiệu của thụ thể Toll. Chức năng chính của lộ trình tín hiệu này là hoạt hóa các quá trình phiên mã dẫn đến sự biểu hiện của một lượng lớn các cytokines viêm và các yếu tố điều hòa miễn dịch khác. Do vậy, lộ trình tín hiệu này phải chuyển thông tin từ TLRs và IL-1R từ bề mặt tế bào đến các yếu tố phiên mã như NF-κB và activating protein 1 (AP-1) (c-Jun/Fos) hoạt động trong nhân. Cũng như các lộ trình tín hiệu khác, thông tin được vận chuyển thông qua sự tương tác dạng protein-protein và phản ứng phosphoryl hóa protein. Hệ thống tín hiệu ubiquitin đóng vai trò quan trọng trong sự vận hành hệ thống lộ trình tín hiệu của thụ thể Toll. Sau đây là một vài bước của quá trình trên:

-          TLR4 là một protein xuyên màng có chuỗi lập lại giàu leucine ở vùng ngoại bào của nó. Vùng nội bào có vùng thụ thể Toll/Interleukin 1. Lipopolysaccharide khởi động lộ trình tín hiệu này bằng cách gắn vào một protein ngoại bào có tên là LPS-binding protein (LBP) và CD14 – đóng vai trò như là một glycoprotein bám màng có chức năng neo giữ glycosylphosphatidylinositol và phức hợp này mang LPS đến thụ thể Toll-like 4 (TLR4).

-          Vùng TIR trên thụ thể TLR4 hình thành một tương tác homophilic giữa vùng TIR của protein đáp ứng  tên là TIR adaptor protein (TIRAP) và MyD88 (MyD88 chỉ đặc hiệu cho TLRs, cụ thể là TLR4). Một đầu tận khác của các chất đáp ứng có một vùng chết (death domain) có sức hút với IL-1 receptor-associated kinase 1 và 4 (IRAK-1 và IRAK-4). Chúng phải trải qua một quá trình tự phosphoryl hóa để có thể gắn với một chất đáp ứng khác gọi là TRAF6 (phân tử thuộc về họ TNF-receptor-associated factor) có vai trò quan trọng trong các phản ứng tiếp theo sau đây.

-          IRAK-1 và TRAF6 tách ra khỏi thụ thể và di chuyển vào màng tế bào chất.

-          TRAF6 là một RING domain E3 ubiquitin ligase kết hợp với phức hợp dị trimer hóa ubiquitin-conjugating (E2) (phức hợp này có chứa Ubc13 và Uev1A). TRAF6 sau khi được ubiquitin hóa sẽ gắn vào transforming growth factor β activated kinase-1 (TAK1) và TAK1-binding (TAB) protein 2 và 3. Các phức hợp đa tiểu đơn vị trong tế bào chất này có chứa chất ức chế NF-κB kinase (IKK) α/IKKβ và tiểu đơn vị NEMO cũng bị lôi cuốn vào phức hợp.

-          Kết quả của sự hoạt hóa TAK1 có vai trò chuyền tin đến các thành phần khác của lộ trình tín hiệu.

-          TAK1 hoạt hóa cả lộ trình c-Jun N-terminal kinase và p38. JNK và p38 có chức năng phosphoryl hóa yếu tố phiên mã như là AP-1 chẳng hạn. Phức hợp này sẽ gắn với CREB).

-          Các chức năng khác của TAK1 là phosphoryl hóa IKKβ của IκB kinase α và β.

-          IKKβ phosphoryl hóa sẽ phosphoryl hóa IκBα để giải phóng NF-κB.

-          NF-κB sẽ vào nhân, gắn vào vùng κB và hoạt hóa gene để mã hóa các cytokines phản ứng viêm và các yếu tố điều hòa miễn dịch để sinh ra các phản ứng viêm.

-          Một khía cạnh cũng rất quan trọng của quá trình phục hồi dòng thác tín hiệu khi LPS ngưng tác dụng là sự loại bỏ các ubiquitin đã gấp nếp để cùng giữ phức hợp truyền tín hiệu. Enzyme khử ubiquitin A20 và CYLD có vai trò quan trọng trong quá trình loại bỏ chuỗi ubiquitin. Hệ thống tín hiệu ubiquitin do vậy có vai trò quan trọng trong các phản ứng viêm của lộ trình tín hiệu thụ thể Toll.

Lộ trình tín hiệu này có mặt chủ yếu ở đại thực bào và dưỡng bào.

Hình 41.53: Minh họa lộ trình tín hiệu thụ thể Toll.

 

Sự nhận diện vius và phản ứng kháng siêu vi

Quá trình nhận diện và sự bắt đầu phản ứng kháng siêu vi là một phần của hệ miễn dịch bẩm sinh, nó phụ thuộc vào một loạt các quá trình hoạt hóa các lộ trình tín hiệu. Khi virus xâm nhập vào thế bào, nó bị phá bỡ thành nhiều mãnh vỡ khác nhau như RNA chuỗi đôi (dsRNA), RNA chuỗi đơn (ssRNA), 5’ triphosphate ssRNA hay CpG DNA. Những thành phần này là ví dụ cụ thể của PAMPs, có vai trò khởi phát các đáp ứng viêm. Sau đây trình bày 3 nhóm thụ thể chính nhận diện những PAMPs này để sinh ra các lộ trình tín hiệu kháng siêu vi khác nhau:

-          Thụ thể Toll-like (TLRs):

o   PAMP sẽ di chuyển trực tiếp vào endosome, liên kết với thụ thể Toll-like (TLR3, TLR7/8 và TLR9) hiện diện trên màng endosome.

o   TLR9 đáp ứng với CpG DNA và TLR7/8 gắn với ssRNA. Hai quá trình này sẽ hoạt hóa protein MyD88. MyD88 hoạt động thông qua TRAF6 – một trong những họ TNF receptor-associated factor (TRAF) để kích hoạt IKKαβ. Sau đó, IKKαβ hoạt hóa yếu tố phiên mã NF-κB thông qua lộ trình tín hiệu thụ thể Toll-like đã mô tả ở trên.

o   NF-κB được đưa vào trong nhân. Tại đó nó hoạt hóa yếu tố phiên mã, mã hóa các cytokines phản ứng viêm và các interferon loại I.

o   Khi được hoạt hóa bởi dsRNA, Thụ thể TLR3 tương tác với TIR-domain-containing adaptor protein inducing IFN-β (TRIF). TRIF sau đó sẽ hoạt hóa IKK-related protein TBK1 [TRAF-family member-associated NF-κB activator (TANK)-binding protein] và IKKε (còn được gọi là IKK hậu lập – iIKK).

o   Phức hợp TBK1/IKKε hoạt hóa sẽ phosphoryl hóa interferon-regulatory factor (IFRs) như IRF3 và IRF7. Khi được phosphoryl hóa, hai IRFs này đồng dimer hóa và được chuyển vào trong nhân. Tại đây đóng góp vào các yếu tố phiên mã của interferons loại I. (IFN-α và IFN-β).

-          Retinoic acid-inducible gene I (RIG-I)-like receptor (RLRs):

o   Những PAMPs do virus sinh ra này được chuyển trực tiếp vào tế bào chất và tương tác với các thụ thể màng tế bào như là Thụ thể RIG-I-like (RLRs).

o   Hai RLRs chính là bản thân retinoic acid-inducible gene I (RIG-I) và melanoma-associated gene 5 (MDA5). Hai thụ thể này có các vùng DExD/H box helicase khác nhau có vai trò gắn vào dsRNA. RIG-I cũng có thể đáp ứng với 5’ triphosphate ssRNA. Hai thụ thể này đồng thời có cặp N-terminal caspase recruitment domains (CARD) – vùng có thành phần truyền tin của chuỗi tín hiệu xuôi dòng. LGP2 (laboratory of genetics và physiology-2) cũng có vùng helicase để gắn vào dsRNA nhưng thiếu vùng CARD và do vậy không thể truyền tín hiệu tế bào nhưng đóng vai trò là chất điều hòa âm cho MDA5 và RIG-I.

o   Vùng CARD trên MDA5 và RIG-I tương tác với IFN-β promoter stimulator-1 (IPS-1) – phân tử cũng có chứa vùng N-terminal CARD và nó được gắn với màng ngoài của ti thể. IPS1 cũng được biết đến với tên gọi MAVS (mitochondrial antiviral signalling), VISA (virus-inducing signalling adaptor) hoặc CARDIF (CARD adaptor inducing IFN-β). Protein IPS1 sau đó sẽ kích hoạt phức hợp TBK1/IKKε. Sau đó phức hợp này sẽ phosphoryl hóa IFRs (IRF3 và IRF7) như đã nói ở trên.

-          Nucleotide oligomerization domain (NOD) protein-like receptors (NLRs)

o   dsRNA trong tế bào chất có thể tương tác với vùng nucleotide oligomerization (NOD) protein-like receptors (NLRs). Một trong những NLRs là vùng Nacht-, leucine-rich repeat- và PYD-containing protein 3 (NALP3) thường được biết đến với tên gọi cryopyrin có khả năng đáp ứng với dsRNA để hoạt hóa caspase-1. Sự tương tác giữa NALP3 và caspase-1 trở nên dễ dàng nhờ chất đáp ứng có tên là apoptosis-associated speck-like protein có chứa một CARD. Mối tương tác giữa 3 protein này đóng vai trò trong phức hợp macromolecular có tên là inflammasome.

o   Caspase-1 được hoạt hóa góp phần vào sự phát triển của một phản ứng viêm bằng sự phên cắt pro-IL-1β để hình thành cytokine phản ứng viêm 1β.

Hình 41.54: Phản ứng nhận diện virus và phản ứng kháng siêu vi. Khi virus xâm nhập vào tế bào, chúng sẽ được phân hủy thành những mảnh nhỏ dưới dạng dsRNA, ssRNA, 5’ triphosphate ssRNA và CpG DNA. Có 3 nhóm sensor dò được các mảnh vỡ này và đã được trình bày kĩ lưỡng ở trên.

 

 

Các lộ trình tín hiệu khác

Các lộ trình tín hiệu được trình bày sau đây có 3 đặc điểm. (1) Chưa có sự hiểu biết tường tận. (2) Còn nhiều tranh cãi. (3) Ít thấy trên thực tế hoặc do kiến thức của người dịch chưa đủ để mô tả được chính xác. Do vậy chỉ trình bày một cách sơ khai nhất để gợi hướng cho người đọc có thể tự nghiên cứu thêm.

Lộ trình tín hiệu phospholipase D

 

Hình 41.55: Minh họa lộ trình tín hiệu của PLD. Lộ trình tín hiệu này phụ thuộc vào enzyme phospholipase D1 (PLD1) – liên kết với màng trong của các cấu trúc tế bào và dưới tế bào (Golgi, endosomes,…) nhưng cũng được tìm thấy ở màng tế bào. Sự hoạt hóa PLD1 có liên quan tới rất nhiều thụ thể thông qua nhiều cơ chế khác nhau phụ thuộc vào vị trí gắn với thụ thể và do vậy nó có nhiều chức năng khác nhau. Một trong những chất hoạt hóa chính là protein kinase Cα với cơ chế không phụ thuộc vào hoạt động xúc tác. Một nhóm phân tử điều hòa quan trọng là các G protein nhỏ. Arf và Rho có thể được hoạt hóa bởi các phân tử truyền tin bản chất lipid như PIP3 trong lộ trình tín hiệu PtdIns 3-kinase. Trong khi đó, Ral A có thể được hoạt hóa bởi Ras và yếu tố Ral-GDS chuyển đổi GTP/GDP. Hơn nữa, PLD1 luôn cần có sự hiện diện của PIP2 – một phần của vòng tác hồi dương bởi vì PtdIns4P 5-kinase được hoạt hóa bởi phosphatidic acid (PA). Hoạt động của PA bị dừng lại bởi PA phosphohydrolase (tách nhóm phosphate để rời khỏi DAG) hoặc bởi phospholipase A2 để sinh ra lysophosphatidic acid (LPA).

Lộ trình tín hiệu của Sphingomyelin

Hình 41.56: Chuyển hóa sphingolipid. Lộ trình tín hiệu của sphingomyelin phụ thuộc vào quá trình chuyển đổi Sphingomyelin (SM) thành các phân tử lipid có hoạt tính sinh học khác có khả năng hoạt hóa nhiều cơ chế tín hiệu khác nhau. Có những enzyme có vai trò như Sphingomyelinase, Ceramidase, sphingosine kinase,…

Hình 41.57: Lộ trình tín hiệu của sphingomyelin. Nhiều chất kích thích có thể hoạt hóa sphingomyelinases trung tính hoặc acid (Smase) để thủy phân sphingomyelin thành ceramide để sau đó chuyển thành sphingosine (Sph) bởi ceramidase (CDase). Sphingosine được chuyển thành sphingosine 1-phosphate (S1P) bởi sphingosine kinase (SPHK) nhạy cảm với các lộ trình tín hiệu khác (sử dụng Ca2+, DAG, cAMP, ERK1/2,…). Ceramide có thể hoạt hóa nhiều phân tử đích và một vài phân tử đó có thể hoạt hóa quá trình apoptosis Bên cạnh đó, S1P có thể điều hành sự sống và biệt hóa của tế bào (thông qua thụ thể endothelial differentiation gene).

Lộ trình JAK-STAT

Lộ trình này hỗ trợ mối tương tác của các tyrosine kinase với các yếu tố phiên mã bằng cách tác động trực tiếp vào các yếu tố phiên mã.

STAT là các yếu tố phiên mã, cấu trúc của nó có một vùng SH2 và thường hiện diện trong tế bào ở trạng thái bất hoạt. Khi có các phân tử gắn với thụ thể, nó sẽ kích thích STAT gắn kết với JAK tại vùng SH2 và STAT sẽ được phosphoryl hóa dimer hóa và đi vào trong nhân để tác động đến sự phiên mã gene.

Hình 41.58: Các trình tự xảy ra trong sự hoạt hóa truyền tin JAK-STAT. Agonist hoạt hóa thụ thể trên bề mặt tế bào sẽ dẫn đến kết quả là sự hoạt hóa của JAKs, STAT được phosphoryl hóa và quá trình phiên mã sẽ diễn ra.

 

Sửa lần cuối ngày 9/11/2012 - www.docsachysinh.com  

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!

 Diễn đàn Đọc sách Y Sinh