Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

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

 

CÁC LỘ TRÌNH “NGẮT” TÍN HIỆU CHÍNH

Nguyễn Phước Long - Phùng Trung Hùng

Tổng quan

Như ta đã biết, lộ trình tín hiệu “on” có vai trò sản sinh ra các tín hiệu nội bào, ngược lại, các tín hiệu “off” có chức năng hủy bỏ các tín hiệu đó và giúp tế bào ‘trở lại trạng thái nghỉ’. Chúng ta sẽ quan tâm chủ yếu đến hiện tượng bằng cách nào các phân tử truyền tin thứ hai và các effector (protein tác hiệu) bị bất hoạt.

Các phân tử truyền tin thứ hai như cAMP, cGMP đều bị bất hoạt bởi phosphodiesterase (PDE). Lộ trình của inositol trisphosphate (InsP3) không diễn ra được nữa nếu có sự hiện diện của inositol trisphosphatase và inositol phosphatase. Trường hợp tín hiệu của Ca2+ phụ thuộc nhiều vào các kênh và các tải Ca2+ (là cách nói tắt, hay phải gọi chính xác hơn là protein tải vận Ca2+)  trong đó ti thể chiếm vai trò quan trọng (đã đề cập ở một chương khác).

Một nguyên lý chung cần nhớ là, rất nhiều các phân tử truyền tin thứ hai và effector hoạt hóa nhờ hiện tượng phosphoryl hóa bởi các kinase/phosphorylase, bị bất hoạt bởi hiện tượng khử phosphoryl với hóa xúc tác là các phosphatase.

Tuy nhiên, có những gốc phosphate được gắn vào có chức năng bất hoạt protein. Do vậy không nên hiểu một cách cứng nhắc rằng loại bỏ gốc phosphate chỉ có vai trò bất hoạt.

Protein phosphatase

Bộ gene người tổng hợp được khoảng 2000 loại protein kinase khác nhau có vai trò trong rất nhiều lộ trình tín hiệu. Đối kháng lại tác dụng của nó là một lực lượng cân xứng phosphatase. Các phân tử này được chia làm 2 nhóm chính.

Protein tyrosine phosphatase (PTPs)

Hiện tượng phosphoryl hóa tyrosine thường hữu của protein chỉ chiếm khoảng 0.1% tổng số khả năng phosphoryl hóa protein trong tế bào.  Tuy nhiên, nó lại chiếm vai trò lớn vì tham gia vào các lộ trình tín hiệu chính, điều hòa sự tăng trưởng và phát triển của tế bào. Hiện tượng phosphoryl hóa tyrosine tăng lên từ 10 – 20 lần khi tế bào bị kích thích bởi các growth factor hoặc trải qua quá trình biến đổi ung thư hóa. Chính điểm này làm nổi bật lên vai trò của PTPs.

Cấu trúc và chức năng của PTPs cho thấy rằng các enzyme này thuộc về họ heterogeneous. Siêu họ protein này được chia làm 2 họ nhỏ hơn là PTPs cổ điển và DSPs (dual-specificity phosphatase).

Cấu trúc và chức năng

Các thành viên có cấu trúc rất khác nhau. PTP cổ điển còn được phân chia thêm thành các PTPs không xuyên màng (non-transmembrane PTPs) và PTPs loại thụ thể (receptor-type PTPs). Tuy nhiên, tất cả các phosphatase đều có chung một motif là H-C-X-X-G-X-X-R nằm ở domain xúc tác. Các thành tố cấu trúc khác (SH2, PDZ và immunoglobin-like domain) có vai trò điều hòa hoạt động của enzyme và giúp enzyme hiện hữu ở gần nơi có cơ chất đặc hiệu của nó.

Hình 42.1: Tổng quan về siêu họ PTP.

Tất cả các PTPs đều dùng chung một cơ chế xúc tác. Trong quá trình, gốc phosphate ở cơ chất đầu tiên được chuyển đến tiểu phân cysteine ở motif xúc tác trước khi bị thủy phân bởi nước để giải phóng anion phosphate. Cách thức hoạt động này của tiểu phân cysteine trong phản ứng chuyển đổi phosphate này là một ví dụ của quá trình nhạy cảm oxi hóa (oxidation-sensivite process) – vốn là mục tiêu của lộ trình tín hiệu redox. Một vài phân tử tín hiệu thuộc họ ROS thực hiện chức năng được là nhờ vào sự bất hoạt các PTPs này.

Trong lộ trình tín hiệu redox, cysteine bị oxy hóa và làm giảm hoạt tính của PTPs. Quá trình bất hoạt phosphatase do cảm ứng oxi hóa góp phần tăng cường luồng tín hiệu xuôi dòng của tyrosine như MAPK và Ca2+ chẳng hạn.

PTP cổ điển

PTP không xuyên màng

Các protein này thuộc họ heterogeneous có chung domain PTP nhưng có thêm các thành tố khác quyết định vị trí hiện diện cũng như chức năng của nó trong tế bào. Một vài thành viên thuộc nhóm này là:

-          Protein tyrosine phosphatase 1B (PTP1B). Protein này có domain PTP tiêu biểu ở đầu N và vùng điều hòa ở đầu C. Đầu C có chứa một vùng kị nước – là thành phần giúp gắn enzyme vào ER. Mặc dù được cố định vào ER, một vài cơ chất chính của PTP1B là các thụ thể tyrosine kinase (như thụ thể EGF, thụ thể insulin và non-receptor tyrosine kinase c-Src). PTP1B cũng là thành phần của JAK/STAT như STAT5a và STAT5b. PTP1B đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định hóa các phức hợp cadherin vì chúng loại nhoscm phosphate của tyrosine trên β-catenin. Để gắn được vào cadherin, PTP1B phải được phosphoryl hóa ở tiểu phân Tyr-152 bởi protein tyrosine kinase không thuộc loại thụ thể.

Hình 42.2: Cơ chế xúc tác của protein tyrosine phosphatase. Vùng xúc tác có chứa 3 tiểu phân (cysteine, aspatate và glycine) – là 3 amino acid cần thiết cho quá trình xúc tác. A) đoạn peptide có chứa phosphotyrosine đi vào vị trí. Tiểu phân aspatate có vai trò cho proton (gốc phenolate là nơi nhận và nó cũng là nhóm rời khỏi cấu trúc cơ chất). B) Khi gốc phosphate đã được chuyển đến gốc cystein, cơ chất rời khỏi enzyme và bước cuối cùng là sự thủy phân gốc phosphate. Sự liên hợp của một phân tử nước và glycine giúp sự thủy phân gốc phosphate xảy ra dễ dàng hơn. Khi gốc phosphate rời khỏi, vị trí tác động sẵn sàng để tiếp tục xúc tác cho phản ứng tiếp theo.

-          T cell protein tyrosine phosphatase (TC-PTP) có cấu trúc tương tự PTP1B nhưng tác dụng lên loại cơ chất khác. TC-48 có một domain kị nước giống với  PTP1B và cũng gắn kết vào ER. Mặt khác, TC-45 không có domain kị nước nhưng có một tín hiệu định vị nhân (nuclear localization signal, NLS) đưa nó trực tiếp vào nhân. Khi tế bào được hoạt hóa bởi EGF, TC-45 rời khỏi nhân và tương tác với phức hợp thụ thể của EGF để tác dụng lên Shc.

Hình 42.3: Cấu trúc của SHP-1 và SHP-2. Cấu trúc của 2 phân tử này rất giống nhau. Cả 2 đều có 2 domain SH2 ở đầu N. Đầu C có 2 tyrosine. Đặc biệt, SHP-2 có một domain rất giàu prolyl.

-          SH2 domain-containing protein tyrosine phosphatase-1 (SHP-1) có chứa 2 domain SH2 ở đầu N. Cần phân biệt phân tử này với SH2 domain-containing inositol phosphatase (SHIPs) – có vai trò trong việc hình thành nên inositol polyphosphate 5-phosphatase type 2. Chức năng cơ bản của SHP-1 là ức chế lộ trình tín hiệu của tyrosine được phosphoryl hóa. Hầu hết các hoạt động của nó trực tiếp đối kháng lại các lộ trình tín hiệu của các tế bào tạo máu. Nó tự gắn mình vào phức hợp truyền tin ở domain SH2, do vậy cho phép domain PTP khử phosphoryl hóa phosphotyrosine. Ngoài ra, SHP-1 có thể gắn kết vào nhiều thụ thể bất hoạt (inhibitory receptor), góp phần ức chế lộ trình tín hiệu của kháng nguyên và integrin. Ví dụ, SHP-1 cùng với thụ thể FcγRIII bất hoạt thụ thể FcεRI ở tế bào mast. Cuối cùng ta cần biết rằng SHP-1 còn tham gia vào quai tác hồi quan trọng tồn tại giữa ROS và Ca2+.

 

-          SH2 domain-containing protein tyrosine phosphatase-2 (SHP-2) có cấu trúc tương tự SHP-1 nhưng có chức năng rất khác. Thay vì có tác dụng ức chế, nó thường có tác dụng hoạt hóa hoạt động của nhiều thụ thể cho growth factor (như EGF, FGF, insulin, integrin và có thể là PDGF).

 

Hình 42.4: Sơ đồ không gian và thời gian trong cơ chế hoạt hóa tế bào T. Tín hiệu bắt đầu ở vị trí trên bên trái với hiện tượng gắn kết kháng nguyên/MHCII đến phức hợp TCR. Thông tin được truyền vào trong nhân để hoạt hóa phiên mã. IL-2 được tạo ra tạo thành vòng tự tiết hoạt hóa lộ trình tín hiệu của thụ thể IL-2 và hoạt hóa sự tổng hợp DNA.

PTP loại thụ thể (RPTPs)

Chúng là loại protein có domain xuyên màng do vậy được gắn vào màng tế bào. Mặc dù những enzyme này được gọi là loại thụ thể, người ta không xác định được nhiều lắm ligand của nó. Hầu hết chúng là các phân tử kết dính và do vậy được hoạt hóa bởi các phân tử trên bề mặt tế bào từ tế bào lân cận. RPTPμ và RPTPκ tạo tương tác ưa nước với các phân tử đối diện với tế bào. Các thành viên chính của loại này là:

-          CD45 là một PTP điển hình có một domain ngoại bào được glycosyl hóa. Ở nội bào, nó có 2 PTP domain nhưng domain thứ 2 không có hoạt tính xúc tác. CD45 có chức năng chính trong lộ trình tín hiệu của tế bào T. Cụ thể nó hoạt hóa Lck (một phân tử truyền tin của tế bào T) bằng cách loại bỏ một gốc phosphotae ức chế ở vị trí tyr-505. Ngoài ra, CD45 còn có chức năng hoạt hóa BCR bằng cách kích hoạt Lyn.

-          Protein tyrosine phosphatase α (PTPα) hoạt hóa họ Src không phải thụ thể (non-receptor Src family) bởi việc loại bỏ gốc phosphate ức chế.

-          Leucocyte common antigen-related (LAR) có nhiều chức năng phát triển đặc hiệu. Ví dụ như biệt hóa phế nang chẳng hạn. Ngoài ra nó còn giúp phát triển vùng não trước và hippocampus.

Dual-specificity phosphatase (DSP)

Hình 42.5: Mô hình hoạt động của DSP. Trong đó T là threonine và Y là tyrosine. MEK1/2 có chức năng phosphoryl hóa. Sự tương tác giữa ERK2 và MKP-3 phụ thuộc vào kinase interaction motif (KIM) ở vị trí đặc biệt trên ERK. Ví dụ này cho ta thấy rằng, để thiết lập một đáp ứng tín hiệu xuôi dòng là không phải đơn giản.

Như tên gọi của chúng, DSP là một phosphatase đặc hiệu kép. Nghĩa là, nó có thể khử gốc phosphate của cả phosphotyrosine (pTyr) và phosphoserine/phosphothreonine (pSer/pThr). Các thành viên trong nhóm này gồm:

-          Cdc25 ở người được chia làm 3 loại là Cdc25A, Cdc25B và Cdc25C. Enzyme này lần đầu tiên được mô tả là phân tử điều hòa chu kì tế bào ở tảo. 3 isoform ở người cũng đóng vai trò điều hòa chu kì tế bào bằng cơ chế kiểm soát giai đoạn đi vào pha S (Cdc25A) và giai đoạn đi vào nguyên phân (Cdc25B và C). Nồng độ của Cdc25A tăng ở giai đoạn trễ của G1 và giữ vững suốt giai đoạn nghỉ của chu kì tế bào. Nồng độ Cdc25B được tăng trong suốt pha S để hoạt hóa tế bào đi vào nguyên phân rồi trở về bình thường sau khi nguyên phân hoàn thành. Nồng độ Cdc25C thì giữ ở mức cao suốt chu kì tế bào. Cả 3 isoform đều có vùng C xúc tác chung, đầu N điều hòa khác nhau giữa từng thành phần. Hoạt tính của Cdc25 được điều hòa bởi cả sự phosphoryl hóa hoạt hóa và ức chế. Cả 3 isoform đều chứa 1 vị trí gắn gốc phosphate để điều hòa sự gắn của protein 14-3-3 - có vai trò ức chế enzyme này. Vị trí bất hoạt này được phosphoryl hóa bởi các enzyme được hoạt hóa bởi stress tế bào, thường là trong trường hợp tổn thương DNA. Đây là cơ chế ức chế Cdc25 quan trọng cho cả G1 và G2/M có vai trò gây ngừng chu kì tế bào (cell cycle arrest).

Hình 42.6: Tóm tắt vai trò của Cdc25 trong kiểm soát chu kì tế bào. Khác với thành phần B và C, Cdc25A do tăng sự tổng hợp DNA, nó được gọi là một oncogen, do vậy phải được điều hòa chặt chẽ bởi  trục các yếu tố p53-p21-Cdk.

o   Sự biểu hiện của Cdc25A được kiểm soát bởi E2F. Khi Cdc25A biểu hiện ở bào tương, nó có khả năng kích hoạt CDK2 (cyclin-dependent kinase 2) để tăng tổng hợp DNA. Hoạt năng của Cdc25A rất nhạy cảm với sự tổn thương của DNA (khi bị tổn thương, DNA kích hoạt CHK1 và CHK2 (checkpoint kinase) để phosphoryl hóa Ser-123, kết quả là dừng nguyên phân do Cdc25A bị ubiquitin hóa và phân giải. CHK1 cũng phosphoryl hóa thr-507 của Cdc25A để nó liên kết với protein 14-3-3 và bị bất hoạt cho đến khi nào tế bào cần nó.

o   Cdc25B đóng vai trò quan trọng đối với quá trình nguyên phân được kiểm soát bởi cyclin B. Phân tử này loại bỏ gốc phosphate của Cdc2 do vậy cần thiết để giúp tế bào đi vào nguyên phân. Cũng giống như các Cdc25B khác, Cdc25B bị ‘bất hoạt’ khi bị phosphoryl hóa ở vị trí Ser-323/tạo vị trí gắn cho protein 14-3-3. Vị trí này được phosphoryl hóa bởi lộ trình của p38 và cung cấp điều kiện cho lộ trình tín hiệu của MAPK làm dừng chu kì tế bào.

o   Cdc25C bị ‘bất hoạt’ khi bị phosphoryl hóa ở Ser-216/tạo vị trí gắn cho protein 14-3-3. Trong quá trình đi vào nguyên phân, phosphate ức chế này được loại bỏ và làm cho Polo-like kinase phosphoryl hóa vị trí khác của vùng điều hòa, cho phép Cdc25C khử gốc phosphate của CDK1-activating kinase.

 

-          Mitogen-activated protein kinase (MAPK) phosphatase (MKPs) gồm 10 thành viên có chức năng chuyên biệt trong lộ trình tín hiệu của MAPK. Một trong những sự kiện cuối cùng của lộ trình tín hiệu này là sự phosphoryl hóa MAPK bởi một dual-specificity MAPK kinase – gắn gốc phosphate vào cả tyrosine và Threonine. Trong pha phục hồi, các gốc phosphate này phải được loại bỏ bởi MAPK phosphatase. Trong 10 thành viên MAPKP, chỉ có vài thành phần cơ hữu, các thành viên còn lại được cảm ứng sinh ra khi tế bào được kích thích và đều góp phần vào quai tác hồi âm. Một ví dụ của trường hợp này là lộ trình tín hiệu đi qua ERK (extracellular-signal-regulated kinase). Các phosphatase này còn thường có độ đặc hiệu cao với một số phân tử đích. Ví dụ điển hình là MKP-3, đặc hiệu cho ERK2. Ở neuron, như neuron sống giữa (medium spiny neurons) ở thể vân (striatum) chẳng hạn, có biểu hiện STEP (striatal-enriched protein tyrosine phosphatase), chúng đóng vai trò đặc hiệu trong lộ trình tín hiệu MAPK của neuron. Trong đáp ứng với kích thích của NMDA, dòng Ca2+ tăng lên tác động vào calcineurin (CaN) để khử gốc phosphate và hoạt hóa STEP để hiệp đồng ức chế lộ trình tín hiệu của phospho-ERK. Ngược lại, sự tăng nồng độ của Ca2+ bởi VOCs (voltage-operated channel) hoặc giải phóng Ca2+ nội bào không có tác động gì của STEP, điều đó chứng tỏ rằng STEP và NMDA có sự liên hệ chặt chẽ.

Hình 42.7: Mô tả lộ trình tín hiệu của medium spiny neuron có và không có liên quan tới NMDA.

Protein serine/threonine phosphatase

Có một lượng lớn kinase góp phần vào các phản ứng ON của lộ trình tế bào bởi khả năng phosphoryl hóa cả serine và threonine ở protein đích. Tuy nhiên, chỉ có một lượng nhỏ protein serine/threonine phosphatase loại bỏ gốc phosphate mà thôi. Chúng hiển nhiên là các thành phần thuộc về phản ứng OFF. Người ta phân các protein này thành 2 nhóm là phosphoprotein phosphatase (PPP) và Mg2+-dependent protein phosphatase.

Ở đây chúng ta sẽ chỉ khảo sát PP1 PP2A. PP2B (calcineurin) đã được mô tả ở phần khác, còn các phosphatase khác thường ít gặp sẽ chỉ được liệt kê ở bảng dưới đây.

Protein phosphatase 1 (PP1)

Có 3 gene chịu trách nhiệm mã hóa cho đơn vị xúc tác của PP1 (PP1C) tạo thành 4 isoform là PP1α, PP1β, PP1γ1 và PP1γ2. Mặc dù chỉ có 4 tiểu đơn vị xúc tác, PP1 có khả năng thực hiện rất nhiều chức năng tại nhiều vị trí khác nhau trong tế bào. Chúng có được khả năng như vậy là nhờ vào khả năng tương tác của mình với một lượng lớn các protein điều hòa hoặc protein ức chế. PP1 bị ức chế bởi inhibitor 1 (I-1). Tiểu đơn vị điều hòa của PP1 quyết định cơ chất đặc hiệu của PP1. Các chức năng cơ bản của nó là:

-          MYPT1 (myosin phosphatase targeting subunit 1) cố định PP1 vào sợi myosin tại vòng co (contractile ring) – nơi kiểm soát sự phân bào (cytokinesis).

-          PP1 đóng vai trò quan trọng trong chuyển hóa glycogen. Ở tế bào gan, GL gắn PP1 vào glycogen – sau đó, PP1 sẽ khử gốc phosphate của glycogen synthase và glycogen phosphorylase. Tiểu đơn vị gắn kết glycogen (GM) ở cơ bám xương cũng gắn PP1 vào bề mặt hạt glycogen để thực hiện cùng chức năng. Tại cơ bám xương, PP1 cũng có thể tác động vào SR để khử gốc phosphate của phospholamban – phân tử ức chế hoạt động của kênh SERCA.

Hình 42.8: 3 loại cation-chloride cotransporter chính. Sự khử gốc phosphate của PP1 hoạt hóa các kênh này. Lưu ý vai trò của KCC.

-          PP1 kiểm xoát sự nghỉ của cơ trơn.

-          Tác dụng của striatal-enriched phosphatase (STEP) và sự khử gốc phosphate của ERK được điều hòa bởi PP1.

-          PP1 góp phòng điều hòa hoạt động của Na+-K+-2Cl- cotransporter 1 (NKCC1).

-          Điều hòa thể tích tế bào trong đáp ứng với tình trạng nhược trương do trực tiếp tác dụng vào KCC1.

-          Liên quan tới hoạt động của thụ thể AMPA.

Hình 42.9: Hình mô tả chức năng điều hòa của protein GM và GL với PP1 trong trường hợp của glycogen và SR. Lưu ý đầu gắn PP1 vào SR là đầu C.

Protein phosphatase 2A (PP2A)

Chức năng cơ bản của PP2A là khử gốc phosphate của nhiều phosphoprotein, cụ thể:

-          PP2A điều biến lộ trình tín hiệu của MAPK (cả điều biến dương lẫn âm). PP2A có thể khử phosphate của Raf-1 và các phân tử thuộc chuỗi truyền tín hiệu xuôi dùng của nó.

-          PP2A tác động đến lộ trình tín hiệu Wnt/β-catenin kinh điển (xem hình).

-          Đảo ngược quá trình phosphoryl hóa phụ thuộc PKA của kênh L-type CaV 1.2.

-          PP2A tương tác với proten khung (scaffolding protein) tên là A-kinase-anchoring protein 79 (AKAP79) và synapse-associated protein 97 (SAP97) (AKAP79 và SAP97 liên kết với nhau) để có thể tương tác với tiểu đơn vị GluR1 của thụ thể AMPA, giảm hoạt động của kênh này (xem hình).

-          Sự phosphoryl hóa Tau (neuron-specific microtubule-associated protein) – có mặt trong bệnh Alzheimer được điều hòa bởi tiểu đơn vị điều hòa Bβ của PP2A holoenzyme.

-          Có liên quan đến sự phân giải Myc.

Hình 42.10: Thuộc tính của thụ thể AMPA được các kinase và phosphatase kiểm soát thông qua 2 tiểu phân là serine-831 và serine-845 bởi các phản ứng phụ thuộc vào nồng độ cAMP và Ca2+. Nồng độ Ca2+ cao sẽ tạo ra điện thế động lâu dài (long-term potentiation), hoạt hóa quá trình phosphoryl hóa. Ngược lại, nồng độ Ca2+ thấp sẽ gây ra hiện tượng ức chế lâu dài (long-term depression).

Hình 42.11: Lộ trình Wnt/β-catenin kinh điển. Chức năng cơ bản của lộ trình Wnt là điều hòa hoạt động của β-catenin – phân tử kiểm soát quá trình phiên mã của gene Wnt. Hình bên trái mô tả trạng thái nghỉ của tế bào, lúc này β-catenin bị phân hủy liên tục nên nồng độ ở mức thấp. Khi được hoạt hóa bởi Wnt quá trình phân hủy này dừng lại, nồng độ β-catenin tăng lên và hoạt hóa phiên mã gene Wnt.

Hình 42.12: Tóm tắt 3 con đường chính của MAPK: ERK, JNK và p38. Chi tiết của từng quá trình xem thêm ở chương lộ trình tín hiệu tế bào.

Phosphodiesterase (PDE)

Lộ trình tín hiệu của cAMP và cGMP bị bất hoạt bởi phosphodiesterase (PDEs).

Các thành viên trong họ PDE có một đặc điểm chung là đều thủy phân 2nd mesenger cyclic nucleotide. Nhưng mỗi thành viên được phân biệt với nhau bởi cơ chất đặc hiệu, thuộc tính động học, vai trò điều hòa và phân bố. Sự đa dạng này phụ thuộc vào vùng N – có nhiều domain khác nhau quyết định đặc tính chuyên biệt của mỗi thành viên. Hiện nay người ta chỉ mới hiểu rõ đặc tính của PDE từ 1 cho đến 6.

 

PDE1

PDE1 được hoạt hóa bởi Ca2+/calmodulin (CaM) khi phức hợp này gắn kết vào domain CaM-binding tại đầu tận của PDE1. Họ PDE1 bao gồm 3 gene:

 

 

PDE1A

PDE1A gồm 5 biến tướng, có ái lực cao hơn ở cGMP (Km khoảng 5 µM) so với cAMP (Km khoảng 110 µM).  PDE1A1 và PDE1A2 nếu bị phosphoryl hóa bởi PKA sẽ giảm nhạy cảm với kích thích hoạt hóa của Ca2+.

PDE1B

PDE1B gồm 2 biến tướng, có ái lực cao với cGMP (Km khoảng 2.7 µM) hơn là cAMP (Km khoảng 24 µM). Đồng phân này biểu hiện mạnh ở não bộ. Nếu PDE1B bị phosphoryl hóa bởi Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) sẽ giảm nhạy cảm với kích thích hoạt hóa của Ca2+.

PDE1C

PDE1C gồm 5 biến tướng, có ái lực cao với cả cGMP và cAMP (Km khoảng 1 µM). Trong đó, biến tướng PDE1C2 có mặt ở nhú cảm giác của thần kinh I điều hòa hoạt động của cAMP trong cơ chế kích thích dẫn truyền mùi thơm (odorant stimuli). Nó cũng có mặt ở tế bào β và điều hòa sự tiết insulin cảm ứng bởi glucose.

Bảng 42.1: Thuộc tính của họ protein PDE.

PDE2

PDE2 là cAMP phosphodiesterase có thể được hoạt hóa bởi cGMP. PDE2 được tổ hợp đơn gene (chỉ có PDE2A) gồm 3 biến tướng quyết định vai trò của nó. PDE2A1 ở dạng hòa tan còn PDE2A2 và PDE2A3 ở dạng hạt (particulate). Khả năng định vị trên màng tế bào của PDE2A2 phụ thuộc vào đoạn xuyên màng của đầu N. Trong khi đó PDE2A3 liên kết với màng tế bào xuyên suốt đầu N tại vị trí đã được myristoyl hóa.

PDE2 phân bố mật độ cao ở não bộ và còn được tìm thấy ở cơ bám xương, cơ tim, gan, tế bào tụy và lớp ngoài cùng của vỏ thượng thận (adrenal glomerulosa).

Mặc dù  có thể thủy phân cả cAMP và cGMP nhưng nó ưu tiên cAMP hơn bởi vì cGMP đóng vai trò như một phân tử điều hòa dị lập thể - tăng cường rất mạnh khả năng thủy phân PDE2. Do vậy PDE2 còn có tên là cGMP-stimulated cyclic AMP PDE.

Khả năng tăng cường thủy phân cAMP của cGMP có lợi ích nhiều trong các tương tác lộ trình tín hiệu chéo xảy ra trong vài tế bào. Ở tế bào zona glomerulosa, ANF (atrial natriuretic factor) có thể ức chế tiết aldosterone thông qua cGMP vì cGMP tăng hoạt tính của PDE2 nên làm giảm nồng độ cAMP.

PDE3

PDE3 là một cGMP-inhibited cAMP phosphodiesterase, được mã hóa bởi 2 gene. Chúng được xác định nhờ có 6 đoạn xuyên màng ở đầu N – gắn kết protein này vào màng tế bào. PDE3 có 2 thành viên có vai trò khác nhau trong tế bào.

PDE3A

PDE3A có mặt ở tiểu cầu, cơ trơn và cơ tim.

PDE3B

PDE3B được tìm thấy ở tế bào mỡ trắng và mỡ nâu, tế bào β tụy và tế bào gan – tại đây chúng đều liên quan đến chức năng chuyển hóa năng lượng. Phân tử này có một phần vai trò trong hoạt động của insulin trong cơ chế đối vận lại hoạt động của sự phân giải lipid phụ thuộc catecholamine và giải phóng acid béo từ tế bào mỡ trắng.

Hình 42.13: Cơ chế điều hòa của hormone trong quá trình tạo chất béo và phân giải chất béo ở tế bào mỡ trắng. Quá trình phân giải chất béo được mô tả ở phần bên phải của hình (được kiểm soát bởi NE, ACTH và glucagon. Các hormone này hoạt động qua trung gian cAMP. Như ta nhìn thấy ở bên trái, Insulin khởi động lộ trình tín hiệu Ptdlns 3-kinase để hoạt hóa PDE3B. Sau đó PDE3B sẽ loại bỏ cAMP và giảm hiện tượng phân giải chất béo.

Một hiện tượng cũng khá thú vị nữa xảy ra ở tế bào gan là sự tiết insulin-like growth factor I (IGF-I) và leptin gây giảm sự chế tiết insulin (trong phản ứng đáp ứng với sự hiện diện của GLP-1) thông qua cơ chế hoạt hóa hoạt động của PDE3B. Thêm một lần nữa, ta thấy việc hiểu biết các thành phần nội tại của mô/tế bào quan trọng như thế nào.

Hình 42.14: Toàn cảnh về các cơ chế điều hòa chế tiết insulin. Cần lưu ý đặc biệt đến vai trò của glucose, acetylcholine và GLP-1 trong việc tăng nồng độ Ca2+ dẫn đến tăng tiết Insulin và tăng tạo IRS1.

Sự đề kháng insulin và béo bì có thể gia tăng nếu giảm biểu hiện PDE3B.

PDE4

PDE4 chỉ có tác dụng đối với cAMP. Nó gồm 4 gene với khoảng 20 biến tướng được chia làm 3 nhóm chính: (tác dụng) dài, ngắn và siêu ngắn. Sự đa dạng này phụ thuộc rất nhiều vào sự biểu hiện của vùng bảo tồn ngược dòng (upstream conserved region) 1 và 2 (UCR1, UCR2) ở vùng điều hòa đầu N. Các đồng phân tác dụng dài có cả UCR1 và UCR2, đồng phân tác dụng ngắn thiếu UCR1 và đồng phân siêu ngắn thiếu UCR1 cùng với một UCR2 bị cắt cụt (truncated).

Hoạt động của các đồng phân PDE4 có thể được điều hòa thông qua vòng tác hồi âm được điều hòa bởi PKA (do cả 2 đều hiện diện cùng mAKAP) và MAPK.

PDE4A

PDE4A có mặt ở soma của thần kinh số I (nhớ lại PDE1C2 có mặt ở nhú cảm giác). PDE4A1 liên kết với màng tế bào thông qua domain kị nước ở vùng N, PDE4A5 thì lại có mặt ở màng tế bào bằng cách liên kết với các protein có domain SH3.

PDE4B

PDE4B đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng viêm. Bởi vì chuột không biểu hiện PDE4B bị suy giảm khả năng giải phóng TNFα trong đáp ứng với LPS. Như ta đã biết, lộ trình tín hiệu của cAMP có vai trò điều biến các phản ứng viêm. cAMP có vai trò kháng viêm trong đại thực bào và tác dụng này của nó sẽ bị hóa giải khi PDE4B tăng biểu hiện, kết quả là tăng khả năng gây đáp ứng viêm của đại thực bào. Ngoài ra, PDE4B còn đóng vai trò điều hòa hoạt động co thắt của cơ trơn tử cung. Một số báo cáo gần đây cũng ghi nhận Rolipram (thuốc chống trầm cảm) ức chế PDE4B.

Hình 42.15: Lộ trình tín hiệu chi tiết mô tả sự điều hòa phản ứng viêm. PAMPs (pathogen-associated molecular patterns) tác dụng thông qua TLRs và do vậy sử dụng lộ trình tín hiệu của thụ thể này để hoạt hóa các yếu tố phiên mã, kết quả là giải phóng các trung gian gây viêm như NO, TNFα và interleukin 1β. Lộ trình tín hiệu này thông qua cAMP và Ca2+. Ta lưu ý đến trường hợp bất hoạt cAMP của PDE4B (ở bên trái).

Đột biến gene mã hóa PDE4B cũng có liên hệ đến bệnh tâm thần phân liệt (schizophrenia).

 

PDE4D

PDE4D có thể có vai trò trong hen phế quản (Asthma). Bằng chứng là chuột không biểu hiện PDE4D thiếu các đáp ứng muscarinic thông thường, do vậy mất đi khả năng quá đáp ứng của đường dẫn khí (airway hyperreactivity).

PDE5

PDE5 có tên gọi khác là cGMP-specific phosphodiesterase, đặc hiệu với cGMP và có 3 biến tướng. Nó có một chi tiết rất đặc biệt là PDE5 cũng được điều hòa bởi cGMP (vì cGMP gắn vào domain GAF ở vùng điều hòa). Khi cGMP gắn vào domain GAF, nó sẽ giúp cho cGMP-dependent protein kinase (cGK) và PKA phosphoryl hóa một vị trí ở đầu N, dẫn đến sự tăng khả năng thủy phân và ái lực gắn kết cGMP tại vùng xúc tác của PDE5. Cơ chế điều hòa thông qua các gắn kết dị lập thể của cGMP và cGK tạo ra nhiều trạng thái chức năng khác nhau của enzyme.

Hình 42.16: Chức năng của NO/cGMP trong kiểm soát sự nghỉ của cơ trơn. Trong trường hợp này, NO tác dụng lên sGC để tạo cGMP. cGMP sau đó tác dụng với các phân tử đích liên quan đến Ca2+ và Rho (kết quả dẫn đến ngăn chặn co cơ trơn). Cụ thể NO tạo cGMP sẽ giúp (1) cho dòng K+ xuất bào, gây tình trạng quá phân cực và giảm được dòng Ca2+ nhập bào. (2) cGMP làm giảm sản xuất IP3 làm giảm lượng Ca2+ nội bào vì nó giảm hoạt động của phospholipase Cβ3. (3) cGMP tác dụng thông qua cGKIβ để phosphoryl hóa IRAG và kết quả cũng là làm giảm Ca2+ được phóng thích qua thụ thể IP3R. (4) cGMP kết hợp với MYPT1 (myosin phosphatase targeting subunit 1) trên tiểu đơn vị xúc tác của PP1 – có chức năng khử gốc phosphate của myosin chuỗi nhẹ, do vậy làm giảm sự co cơ. Viagra hủy tác dụng thủy giải cGMP do vậy giữ cho tình trạng co cơ không xảy ra, giúp cương dương vật.

PDE5 có vai trò điều hòa rất quan trọng lộ trình tín hiệu có liên quan tới cGMP ở nhiều loại tế bào, trong đó đáng kể nhất là tế bào cơ trơn, tiểu cầu, ống thận gần và ống góp thận, tế bào Purkinje tiểu não và ống tụy.

Trong trường hợp của cơ trơn thể hang (corpus cavernosum smooth muscle cell) – cơ điều hòa sự cương của dương vật, PDE5 đóng vai trò quan trọng. Nó là phân tử đích của viagra – một loại thuốc chữa rối loạn cương dương.

Người ta cũng thấy rằng lộ trình qua Rho cũng góp phần quan trọng trong cơ chế co cơ trơn thể hang vì nó ức chế PP1. Do vậy đã nghiên cứu và tìm ra được phân tử ức chế Rho (Y-27632) – có thể sẽ là một phương pháp trị liệu rối loạn cương dương về sau.

PDE6

PDE6 là phân tử tác hiệu chuyên biệt cho các dẫn truyền thị giác của các photoreceptor.

Sự ổn định của PDE6 được điều hòa bởi AIPL1 (aryl hydrocarbon receptor-interacting protein-like 1). Cơ chế AIPL1 vận hành vẫn chưa được hiểu rõ nhưng nó đóng vai trò như một chaperone đặc hiệu cần thiết cho sự sinh tổng hợp và ổn định PDE6. Leber congenital amaurosis (LCA) là thành phần xuất hiện ở giai đoạn sớm của bệnh lý võng mạc (retinopathy) – liên quan tới đột biến gene AIPL1.

Sửa lần cuối ngày 23/11/2012 - 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