Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

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

 

ĐẠI CƯƠNG VỀ GIAO TIẾP TẾ BÀO

Trịnh Hoàng Kim Tú - Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

Tín hiệu ngoại lai cần được chuyển đổi thành tín hiệu nội bào

Có một câu hỏi rất thú vị là: “Một tế bào “nói” (talking cell) sẽ bảo gì với một tế bào “nghe” (listening cell) – để sau đó tế bào nghe bằng cách nào trả lời lại thông điệp đó?”

Đầu tiên, chúng ta hãy tiếp cận với câu hỏi này bằng cách nhìn vào sự giao tiếp trong số những vi sinh vật – những vi khuẩn hiện đại hé mở của sổ về vai trò của dòng thác tín hiệu tế bào trong quá trình tiến hóa của sự sống trên Trái Đất.

Sự tiến hóa của dòng thác lộ trình tín hiệu tế bào

Hình 43.1: Quá trình tương tác giữa các tế bào men giao phối. Tế bào Saccharomyces cerevisiae sử dụng chất tín hiệuhóa học để định dạng tế bào có “mating type” đối lập, và khởi đầu quá trình giao phối này. 2 loại tế bào giao phối và phân tử tín hiệu hóa học tương ứng của chúng, hoặc các yếu tố giao phối, được gọi là a a.

Một chủ đề lớn của “cuộc trò chuyện giữa các tế bào” (cell conversation) là vấn đề “tình dục” (sex) – ít nhất đối với loài Saccharomyces cerevisiae, mà, người ta đã sử dụng để làm bánh mì, rượu, bia trong suốt thiên niên kỷ qua. Các nhà nghiên cứu đã biết rằng những tế bào này tìm “bạn tình” của mình bằng dòng thác tín hiệu hóa học (chemical signaling).

Có 2 loại “giới tính” của những “bạn tình” (cell of mating) này, được gọi là a và a. Tế bào loại a tiết ra phân tử tín hiệu (signaling molecule) được gọi là yếu tố a – có thể gắn kết với những thụ thể protein đặc hiệu gần tế bào a. Cùng lúc đó, tế bào a tiết ra yếu tố a - gắn với thụ thể trên tế bào. Thật sự, không cần phải vào bên trong tế bào, 2 loại “mating factors” này khiến cho tế bào phát triển nghiêng về phía tế bào khác, và mang lại sự thay đổi cho tế bào khác. Kết quả tất yếu sẽ dẫn đến sự kết hợp, hay còn gọi là sự giao phối của 2 tế bào khác loại. Tế bào a/a  này chứa đựng tất cả các loại gene của 2 tế bào nguyên gốc, đây chính là sự kết hợp nguồn tài nguyên di truyền – mang lại những lợi ích cho các thế hệ tế bào sau ra đời từ quá trình phân chia tế bào.

 

Hình 43.2: Hoạt hóa lộ trình của NFkB bằng TNFa - Minh họa bước “xử lý tín hiệu sau giao tiếp tế bào”. Cả hai TNFa và thụ thể của nó đều là trimers. Sự gắn kết của TNFa gây nên sự atại sắp xếp (rearrangement) cuả các đuôi tế bào  kết cụm lại (clustered cytosolic tail) của thụ thể, bây giờ, thúc đẩy (recruit) đa dạng nhiều loại tín hiệu protein, đưa đến kết quả là sự hoạt hóa serine/threonine protein kinase có vai trò phosphoryl hóa (phosphorylate) và kích hoạt IkB kinase (IKK). IKK là một heterodimer bao gồm hai dưới đơn vị  kinase (IKKa và IKKb), và một dưới đơn vị điều hòa (regulatory subunit) có tên gọi là NEMO. IKKb sau đó phosphoryl hóa (phosphorylated) IkB trên 2 serine, đánh dấu protein cho sự “ubiquitin hóa” (ubiquitylation) và giáng cấp (degradation) trong proteasomes. NFkB được phóng thích ra và di chuyển vào trong nhân, ở đây, khi kết hợp với protein đồng hoạt hóa, nó kích hoạt sự sao chép xảy ra ở những gene đích.

 

Vậy thì, có phải tín hiệu giao phối (mating signal) của bề mặt tế bào men được thay đổi, hay còn gọi là chuyển đổi thành dạng chứa đựng những đáp ứng tế bào với việc giao phối?

Quá trình mà từ đó tín hiệu trên bề mặt tế bào được chuyển đổi thành đáp ứng đặc hiệu tế bào (bao gồm một chuỗi các bước) được gọi là lộ trình truyền tín hiệu. Nhiều lộ trình đã được nghiên cứu kỹ lưỡng với đối tượng là men và cả tế bào động vật. Kỳ diệu thay, khi xét đến chi tiết về mặt phân tử, lộ trình tín hiệu chuyên đổi của men và động vật có vú có những điểm tương tự đáng chú ý, mặc dù tổ tiên chung cuối cùng của 2 nhóm này đã sống cách đây hàng tỷ năm. Những điểm tương tự này và một số mới được phát hiện gần đây giữa hệ thống tín hiệu (signaling system) ở vi khuẩn và thực vật gợi ý rằng phiên bản mới nhất của cơ chế tín hiệu tế bào (cell-signaling mechanisms) được sử dụng ngày nay đã tiến triển tốt trước khi các sinh vật đa phân tử đầu tiên xuất hiện trên Trái Đất.

Các nhà khoa học nghĩ rằng những cơ chế tín hiệu đã phát triển đầu tiên hết ở các loài prokaryote cổ đại (sinh vật nguyên sinh). Sau đó được kế tục bởi các thế hệ sinh vật đa phân tử tiếp nối. Trong lúc ấy, tín hiệu tế bào (cell signaling) giữ vững vị trí quan trọng trong thế giới vi khuẩn. Tế bào của nhiều lòai vi khuẩn tiết ra các phân tử nhỏ - mà các phân tử này có thể được phát hiện bởi tế bào khác của vi khuẩn. Sự tập trung của các phần tử tín hiệu này cho phép vi khuẩn cảm giác được mật độ hiện tại của tế bào vi khuẩn, hiện tượng được gọi là quorum sensing (giao tiếp và biểu lộ hành vi thông qua phân tử tín hiệu). Sâu hơn nữa, tín hiệu giữa các thành viên trong quần thể vi khuẩn có thể dẫn đến việc kết hợp họat động của chúng lại với nhau. Đáp lại tín hiệu, tế bào vi khuẩn có thể đến gần nhau, tạo nên     biofilms – là sự tập hợp của vi khuẩn thường tạo nên các cấu trúc có thể nhận biết được và chứa đựng những vùng chức năng chuyên biệt. Ta sẽ có một hình cho thấy sự kết tập tiêu biểu khi đáp ứng với tín hiệu của một lọai vi khuẩn sau đây.

Tín hiệu tại chỗ (cục bộ) và khoảng cách dài

Giống như những tế bào nấm men, trong cơ thể đa bào, các tế bào thường giao tiếp thông qua các chất truyền tín hiệu hóa học (chemical messenger) nhắm đến các tế bào có thể hoặc không liền kề nhau gần như ngay lập tức. Các tế bào còn có thể truyền tin bằng tiếp xúc trực tiếp. Cả hai lọai động vật và thực vật có những cấu trúc liên kết tế bào (cell junction), kết nối trực tiếp tế bào chất của những tế bào kề cận nhau. Trong những trường hợp này, những chất dẫn truyền tín hiệu (signaling substance) hòa tan trong bào tương có thể vượt qua giữa các tế bào nằm sát nhau một cách tự do. Hơn nữa, tế bào động vật có thể truyền thông tin thông qua tiếp xúc trực tiếp giữa màng – ranh giới tế bào – các phân tử bề mặt, sự tiếp xúc này xảy ra trong một quá trình được gọi là quá trình nhận diện tế bào – tế bào (cell – cell recognition). Lọai tín hiệu này quan trọng trong các quá trình, như là quá trình phát triển của phôi và đáp ứng miễn dịch.

Hình 43.3: Quá trình giao tiếp giữa vi khuẩn, lọai vi khuẩn sống trong đất được gọi là myxobacteria sử dụng những tín hiệu hóa học để chia sẻ thông tin về khả năng dinh dưỡng. Khi thức ăn khan hiếm, những tế bào bị đói sẽ tiết ra một phân tử - phân tử này tiếp cận các tế bào lân cận và kích họat các vi khuẩn tập hợp lại. Các tế bào hình thành nên một cấu trúc được gọi là bào tử (fruiting body), hình dạng này sản xuất nên một bào tử thành dày có thể sống sót đến khi môi trường cải thiện. Vi khuẩn được cho thấy ở đây là Myxococcus xanthus.

Trong nhiều trường hợp khác, phân tử truyền tín hiệu (messenger molecule) được tiết ra bởi tế bào truyền tín hiệu (signaling cell). Một số di chuyển chỉ trong khoảng cách ngắn, như phân tử điều hòa cục bộ (local regulator) ảnh hưởng các tế bào trong vùng lân cận. Một loại chất điều hòa tại chỗ ở động vật quan trọng là yếu tố tăng trưởng (growth factor), nó bao gồm các hợp chất kích hoạt tế bào đích gần kề phát triển và phân chia. Đông đảo các tế bào có thể nhận và đáp ứng đồng thời các yếu tố tăng trưởng (GF), mà các GF này được sản xuất từ một tế bào duy nhất lân cận. Lọai truyền tín hiệu tại chỗ này ở động vật được gọi là “truyền tín hiệu cận tiết” (paracrine signaling).

Hình 43.4: Giao tiếp bằng tiếp xúc trực tiếp giữa các tế bào.

Hơn nữa, có nhiều loại hệ thống truyền tín hiệu tại chỗ khác (local signaling), một trong số đó là “hệ thống truyền tín hiệu thông qua khe synapse” (synaptic signaling) xảy ra ở hệ thần kinh của động vật. Hệ thống truyền tín hiệu điện dọc theo sợi thần kinh khởi động sự tiết tín hiệu hóa học (chemical signal) – được mang lại bởi các phân tử của chất dẫn truyền thần kinh. Các phân tử này khuếch tán xuyên qua khe synapse, khoảng hẹp giữa tế bào thần kinh và tế bào đích của nó (một tế bào thần kinh khác). Chính chất dẫn truyền thần kinh sẽ kích hoạt tế bào đích.

Cả động vật lẫn thực vật sử dụng các chất hóa học đựoc gọi là hormones cho hệ thống truyền tín hiệu khoảng cách dài (long – distance signaling). Trong hệ thống truyền tín hiệu bằng hormone (hormone signaling) ở động vật, còn được biết như là “hệ thống truyền tín hiệu thông qua con đường nội tiết” (endocrine signaling), các tế bào biệt hóa phóng thích các phân tử hormone, các phân tử này theo hệ tuần hoàn đến các tế bào đích trong cơ thể. Các hormones dao động rất lớn về kích thước và lọai phân tử, bởi vì đóng vai trò như những chất điều hòa tại chỗ (local regulator). Ví dụ, cây hormone ethylene (the plant hormone ethylene), chất khí thúc đẩy trái cây chín và giúp điều hòa sự tăng trưởng, là một loại hydrocarbon chỉ có sáu nguyên tử (C2H4), đủ nhỏ để xuyên qua thành tế bào. Ngược lại, hormone insulin của động vật có vú, điều hòa đường huyết, là một proteine với hàng ngàn nguyên tử.

Hình 43.5: Giao tiếp tế bào tại chỗ và qua khoảng cách dài ở động vật (Local and long-distance in animals). Trong cả hai hệ thống truyền tín hiệu tại chỗ và thông qua khoàng cách dài (local and long-distance signaling), chỉ có những tế bào đích đặc hiệu nhận ra và đáp ứng đến một phân tử tín hiệu được cho sẵn (given signaling molecule).

  1. Hệ thống truyền tín hiệu cận tiết (Paracrine signaling): một tế bào tiết hoạt động trên các tế bào đích gần đó bằng cách phóng ra các phân tử của protein điều hòa tại chỗ (một yếu tố tăng trưởng, ví dụ) vào trong dịch ngoại bào.
  2. Hệ thống truyền tín hiệu thông qua khe synapse (Synaptic signaling): một tế bào thần kinh phóng thích ra các chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter) vào trong synapse, khởi động gene đích.
  3. Hệ thống tryền tín hiệu bằng hormone (Hormonal signaling): tế bào nội tiết được biệt hóa tiết ra các hormone vào trong dịch cơ thể (body fluid), thường là máu.  Hormones hầu như đến tất cả các tế bào trong cơ thể.

Sự truyền tín hiệu qua hệ thần kinh có thể được xem như  một ví dụ về hệ thống truyền tín hiệu khoảng cách xa (long-distance signaling). Tín hiệu điện đi theo độ dài của tế bào thần kinh, sau đó được chuyên đổi về lại thành một tín hiệu hóa học khi một phân tử tín hiệu (signaling molecule) được phóng thích và xuyên qua synapse đến đến một tế bào thần kinh khác. Tại đây, nó tiếp tục được chuyển  lại thành một tín hiệu điện học. Bởi vì một số tế bào thần kinh khá dài, ví dụ: tín hiệu thần kinh có thể nhanh chóng vượt qua khoảng cách lớn từ não đến tận ngón chân cái.

Chuyện gì xảy ra khi một tế bào tiếp xúc với một phân tử tín hiệu? Phân tử phải được nhận diện bởi một phân tử thụ thể đặc biệt, và thông tin mà nó chứa đựng, tín hiệu, phải được chuyển thành hình dạng khác – bị chuyển đổi (transuced)– bên trong tế bào trước khi tế bào có thể đáp ứng. Phần còn lại của chương bàn về quá trình này, đầu tiên hết khi nó xảy ra ở những tế bào động vật. 

Hình 43.6: Minh họa một vài tương tác của các phân tử kết dính tế bào.

Ba giai đọan của “hệ thống dẫn truyền tín hiệu tế bào”

Hiểu biết gần đây của chúng ta về cách một “chất truyền tín hiệu hóa học” (chemical messenger) họat động với “lộ trình chuyển đổi tín hiệu” (signal transduction pathways), đã có căn nguyên từ công việc tiên phong của Earl W.Sutherland, nhà khoa học đã đạt được giải Nobel vào năm 1971. Sutherland và cộng sự ở đại học Vanderbilt đã tìm hiểu làm cách nào mà hormone epinephrine của động vật kích họat sự ly giải dự trữ polysaccharide glycogen trong tế bào gan và tế bào cơ xương. Sự ly giải glycogen phóng thích đường glucose-1-phosphate, tiếp tục được tế bào chuyển thành glucose-6-phosphate. Sau đó, tế bào (ví dụ: tế bào gan) có thể sử dụng hợp chất này, chất trung gian sớm trong quá trình đường phân, cho việc tạo ra năng lượng. Một lựa chọn khác, hợp chất có thể bị lấy mất phosphate và phóng thích khỏi tế bào gan, thành glucose vào trong máu, một chất có thể cung cấp năng lượng cho tế bào khắp mọi nơi trong cơ thể. Như vậy, một tác dụng của epinephrine – chất được tiết từ tuyến thượng thận trong suốt quá trình stress (về mặt) tinh thần hay thể chất, là sự huy động nhiên liệu dự trữ.  

Hình 43.7: Tổng quan về tín hiệu tế bào. Nhìn từ góc độ tế bào tiếp nhận tín hiệu, cơ chế truyền tín hiệu tế bào có thể chia làm ba giai đoạn: tiếp nhận tín hiệu, chuyển đổi  tín hiệu (transduction) và, đáp ứng của tế bào. Khi hiện tượng tiếp nhận tín hiệu xảy ra trên màng bào tương, như chúng ta thấy ở đây, giai đoạn chuyển đổi thường là một lộ trình gồm một vài bước, mà mỗi phân tử kế tiếp trong lộ trình dẫn đến thay đổi trong phân tử tiếp theo. Phân tử cuối cùng trong lộ trình khởi động đáp ứng của tế bào. Ba giai đoạn sẽ được giải thích rõ ràng hơn trong chương lộ trình tín hiệu.

Nhóm nghiên cứu của Sutherland đã phát hiện rằng theo một cách nào đó, epinephrine khởi động sự ly giải glycogen (glycogen breakdown) bằng cách kích họat enzyme phosphorylase glycogen trong bào tương (cytosolic enzyme). Tuy nhiên, khi epinephrine được thêm vào một ống nghiệm có hợp chất bao gồm một enzyme và chất nền của nó (substrate), glycogen, không có quá trình ly giải nào xảy ra. Epinephrine có thể kích hoạt sự phosphorylase hóa glycogen chỉ khi hormone được thêm vào một dung dịch có chứa các “intact cells”. Kết quả này cho Sutherland biết được hai điều. Thứ nhất, epinephrine không tiếp xúc trực tiếp với enzyme chịu trách nhiệm cho sự ly giải glycogen; một bước trung gian hoặc một chuỗi các bước phải xuất hiện trong tế bào. Thứ hai, màng bào tương bằng cách nào đó cũng có liên quan đến việc truyền tín hiệu epinephrine.

Nghiên cứu này của Sutherland đề nghị rằng quá trình tiếp diễn tại điểm tiếp nhận của “sự trao đổi tế bào” này có thể đựoc phân tích thành 3 giai đoạn: tiếp nhận, chuyển đổi (transduction) và đáp ứng.

Làm cách nào epinephrine, như trong thí nghiệm của Sutherland, lại khớp vào biểu đồ (diagram) về tín hiệu tế bào (cell signaling) này? Sau đây là các câu trả lời:

  1. Sự tiếp nhận. Sự tiếp nhận tín hiệu chính là khi phát hiện của tế bào đích về một phân tử tín hiệu (signlaing molecule) đến từ bên ngòai tế bào. Một tín hiệu hóa học (chemical signal) được “phát hiện” khi phân tử tín hiệu (signaling molecule) gắn với một thụ thể protein trên bề mặt màng tế bào hoặc ở bên trong tế bào.
  2. Chuyển đổi. Sự gắn kết với phân tử tín hiệu (signaling molecule) làm thay đổi thụ thể protein theo một cách nào đó, khởi động tiến trình dịch mã. Giai đoạn chuyển đổi  chuyển tín hiệu thành dạng thức – có thể dẫn đến một đáp ứng tế bào (cellular response). Trong hệ thống của Sutherland, gắn kết epinephrine với thụ thể protein trong màng bào tương của tế bào gan dẫn đến sự hoạt hóa glycogen phosphorylase.  Đôi khi, sự chuyển đổi  xảy ra xảy ra trong một bước đơn độc, nhưng thường hơn, sự chuyển đổi đòi hỏi một chuổi các thay đổi trong một loạt các phân tử khác nhau – lộ trình giải mã tín hiệu (a signal transduction pathway). Các phân tử trong lộ trình thường được gọi là các phân tử tiếp nối (relay molecule).  
  3. Đáp ứng. Trong giai đoạn thứ ba của tín hiệu tế bào (cell signaling), tín hiệu đã được chuyển đổi hoàn thiện sẽ khởi động một đáp ứng tế bào đặc hiệu (specific celllular response). Đáp ứng hầu hết bất kì hoạt động nào của tế bào – như là quá trình xúac tác bởi một enzyme (ví dụ: glycogen phosphorylase), tái sắp xếp lại bộ khung xương tế bào (cytoskeleton), hoặc hoạt hóa các gene đặc hiệu trong nhân,… Tiến trình truyền tín hiệu tế bào (the cell-signaling process) giúp đảm bảo các họat động mang tính quyết định như trên xảy ra trong đúng tế bào, vào đúng thởi điểm, và trong sự kết hợp chính xác với những tế bào khác trong cơ thể. Như chúng ta đã biết cơ chế của tín hiệu tế bào (cell signaling) chi tiết ở các phần trước.

Hình 43.8: Lộ trình tín hiệu Wnt/b-catenin. (A): Khi không có tín hiệu Wnt, b-catenin không được gắn đến đuôi bào tương của protein cadherin (không vẽ), trở nên liên quan chặt chẽ với phức hợp giáng cấp (degradation complex) chứa đựng APC, axin, GSK3, và CK1. Trong phức hợp này, b-catenin được phosphoryl hóa (phosphorylate) bởi CK1 và sau đó, bởi GSK3, khởi động quá trình “ubiquitin hóa” và giáng hóa trong proteasome. Gene đáp ứng với Wnt được giữ trong tình trạng không được hoạt hóa bởi protein đồng ức chế Groucho, gắn với protein điều hòa gene LEF1/TCF. (B) Wnt gắn với Frizzled và cụm LRP – 2 lọai thụ thể chung với nhau, đưa đến kết quả là trong việc tuyển chọn các phức hợp giáng cấp (recruitement of the degradation complex) đến màng bào tương và phosphoryle hóa (phosphorylation) đuôi bào tương LRP  bởi GSK3, tiếp theo, bởi CK1g. Axin gắn với LRp đã được phosphoryl hóa, bị bất họat và/hoặc bị giáng hóa. Sự mất mát Axin từ phức hợp giáng hóa bất hoạt phức hợp, và do đó, khóa sự phosphoryle hóa b-catenin, và cả “ubiquitin hóa” (ubiquitylation), cho phép b-catenin chưa được phosphoryl hóa tích tụ lại và chuyển đến nhân. Dishevelled và chắc chắn một G protein được yêu cầu để cho lộ trình tín hiệu thực hiện được; cả hai đều gắn với Frizzled, và Dishevelled được phosphoryl hóa (không thể hiện), nhưng vai trò chức năng của chúng chưa được biết rõ. Một khi còn ở trong nhân, b-catenin gắn với LEF1/TCF, di chuyển protein đồng ức chế (co-repressor) Groucho, và hoạt động như một chất đồng hoạt hóa để khởi động quá trình sao chép gene đích Wnt.

 

Thụ thể Notch - một protein điều hòa gene tiềm ẩn

 

 

Hình 43.9: Sự ức chế bên thông qua trung gian Notch và Delta trong suốt quá trình phát triển hình thành tế bào thần kinh ở Drosophila. Khi các tế bào riêng lẻ trong lớp biểu mô bắt đầu phát triển thành tế bào thần kinh, chúng phát tín hiệu đến các tế bào xung quanh: đừng làm điều tương tự. Sự ức chế này, “truyền tín hiệu phụ thuộc tiếp xúc” (contact-dependent signaling) được làm trung gian bởi phối tử (ligand) Delta, sẽ xuất hiện trên bề mặt của tế bào thần kinh tương lai, và gắn kết với thụ thể protein Notch trên các tế bào lân cận. Trong rất nhiều mô, tất cả các tế bào trong một cụm biểu lộ đầu tiên cả Delta, Notch, một cuộc chiến xuất hiện, với một tế bào mới là tế bào chiến thắng, biểu hiện Delta một cách mạnh mẽ và ức chế các tế bào tương tự không làm điều tương tự như vậy. Trong trường hợp khác, các yếu tố thêm vào tương tác với Delta hoặc Notch để khiến cho một vài tế bào nhạy cảm với tín hiệu của hiện tượng ức chế bên, còn các tế bào khác thì không nhạy với tín hiệu này.

 

Tín hiệu thông qua thụ thể protein Notch có lẽ là lộ trình tín hiệu được sử dụng nhiều trong sự phát triển của động vật nói chung và cả con người nói riêng. Notch có vai trò tổng thể (general role) trong kiểm soát việc quyết định số phận các tế bào như điều hòa định dạng nguyên mẫu trong suốt quá trình phát triển của đa số các tế bào, cũng như là trong công việc làm mới lại liên tục các mô. Tuy nhiên, Notch được biết đến nhiều nhất với vai trò trong sự sản xuất các tế bào thần kinh. Chúng thường xuất hiện dưới dạng từng tế bào riêng biệt trong lớp biểu mô các tế bào tiền thân. Trong suốt quá trình này, khi một tế bào tiền thân (precursor cell) chuyển thành tế bào dưới cấp, nó sẽ phát tín hiệu đến các tế bào “láng giềng” trực tiếp để ngăn các tế bào này làm điều tương tự. Thay vào đó, các tế bào bị ức chế này phát triển thành các tế bào biểu bì. Quá trình này được gọi là hiện tượng ức chế biên (lateral inhibition). Nó phụ thuộc vào cơ chế truyền tín hiệu phụ thuộc vào tiếp xúc (contact-dependent signaling mechanism) – cơ chế được hoạt hóa bởi một protein truyền tín hiệu xuyên màng đơn (single-pass) hay còn đựơc gọi là Delta (hiện diện trên bề mặt của tế bào thần kinh tương lai). Bằng cách gắn kết với thụ thể protein Notch trên tế bào lân cận, Delta truyền hiệu lệnh đến tế bào “láng giềng” đừng trở thành tế bào thần kinh. Khi tiến trình truyền tín hiệu này có khiếm khuyết, các tế bào lân cận này sẽ phát triển thành tế bào thần kinh, sản xuất một lượng khổng lồ các neuron từ các tế bào biểu bì, điều này rất tai hại.

 

Tín hiệu giữa các tế bào liền kề nhai thông qua Notch và Delta (hoặc các phối tử  giống Delta) điều hòa sự chọn lựa số phận các tế bào trong nhiều mô, của nhiều lọai động vật.

 

Thông thường, tín hiệu này làm trung gian cho hiện tượng “ức chế bên” (lateral inhibition) để điều khiển đội hình các lọai tế bào riêng biệt bên trong một mô, như trong hệ thần kinh. Trong vài trường hợp khác, tín hiệu lại có tác dụng ngược lại, xúc tác nhiều hơn ức chế số phận của một tế bào đặc biệt và khiến cho các tế bào cận kể cũng hành động tương tự. Do vậy,  Khó có bất kỳ họat động nào của tế bào trong quá trình phát triển mà không được điều hòa bởi hệ thống tín hiệu Notch trong một mô này hay mô khác.

 

Notch là một protein xuyên màng, nó cần có quá trình phân giải protein để thực hiện chức năng. Protein này hoạt động như một protein điều hòa gene tiềm ẩn và cung cấp lộ trình tín hiệu đơn giản nhất, trực tiếp nhất. Khi được kích hoạt bằng cách gắn kết Delta trên một tế bào khác,  protease gắn kết màng tế bào – bào tương (plasma-mambrane-bound protease) tách (cleave off) đuôi tế bào chất của Notch, và cái đuôi được phóng thích di chuyển vào trong nhân để kích hoạt sự sao chép một bộ các gene đáp ứng với Notch. Mảnh đuôi  Notch họat động bằng cách gắn vào “protein gắn kết  DNA” (DNA-binding-protein), chuyển nó từ chất kím hãm sự sao chép thành chất kích họat sao chép.

Chúng ta sẽ xem liệu lộ trình tín hiệu Wnt và Hedgehog có sử dụng cách thức tương tự: Chuyển chất ức chế sao chép thành chất kích hoạt sự sao chép nhằm quyết định số phận tế bào.

Bộ gene được điều hòa bởi hệ thống tín hiệu Notch thay đổi tùy thuộc vào mô và điều kiện cụ thể. Ví dụ như gene mã hóa Hes, gene này mã hóa protein điều hòa gene ức chế. Trong hệ thần kinh, sản phẩm của gene Hes khóa sự bộc lộ các gene được yêu cầu cho sự biệt hóa tế bào thần kinh.

 

Hình 43.10: Sự chế biến và hoạt hóa Notch bởi sự phân tách ly giải protein.  Các đầu mũi tên màu đỏ  cho thấy vị trí của sự phân tách ly giải protein. Sự ly giải protein đầu tiên xảy ra bên trong mạng  lưới trans Golgi (trans Golgi network) để tạo ra thụ thể  heterodimer Notch trưởng thành, thụ thể này biểu lộ trên bề mặt tế bào. Sự gắn kết Notch với Delta, được biểu hiện trên tế bào lân cận, khởi động hai bước ly giải protein tiếp theo: phức hợp Delta và dưới đơn vị (subunit) Notch được nhập bào vào tế bào biểu lộ Delta, mà trong đó dưới đơn vị (subunit) Notch được gắn vào Delta, để lộ ra vị trí phân tách protein bên ngoài tế bào (extracellular cleavage site) trên dưới đơn vị (subunit) Notch xuyên màng. Ghi nhớ rằng Notch và Delta tương tác xuyên qua các đoạn EGF-like lập lại (repeated EGF-like domains). Đuôi Notch đã được phóng thích di cư vào trong nhân, nơi nó gắn với protein Rbpush và chuyển đổi protein này từ chất ức chế quá trình sao chép thành chất hoạt hóa.

 

Thụ thể Notch trải qua 3 bước chia tách bằng cách phân giải protein liên tục, nhưng chỉ có hai bước cuối phụ thuộc vào sự gắn kết với Delta. Như là một phần của quá trình sinh tổng hợp bình thường,  nó được phân tách trong bộ máy Golgi để tạo thành heterodimer, sau đó được chuyển đến bề mặt tế bào như là một thụ thể trưởng thành. Sự gắn kết Delta với Notch gây nên sự phân tách thứ hai trong vùng ngọai bào (extracellular domain), làm trung gian  bởi các protease ngọai bào. Sự chia tách cuối cùng nhanh chóng tiếp nối, cắt đuôi bào tương tự do của thụ thể được hoạt hóa. Cần nhớ rằng, không như hầu hết các thụ thể, sự hoạt hóa Notch không thể đảo ngược được. Nghĩa là, một khi đã được kích hoạt bởi phối tử gắn kết (ligand binding), protein không thể được sử dụng lần nữa.

 

Bước phân tách cuối cùng  đuôi bào tương của Notch xảy ra trong đoạn xuyên màng, và được làm trung gian bởi một phức hợp protease được gọi là g-secretase - chịu trách niệm cho sự phân tách bên trong màng bào tương cho nhiều lọai protein khác. Một trong các tiểu đơn vị (subunit) chủ yếu là Presenilin, được gọi như vậy bởi vì các đột biến trong quá trình chuyển mã gene nó thường là nguyên nhân cho một chứng mất trí nhớ ở người trẻ bị Alzheimer (presenlie dementia). Phức hợp protease được cho là có tham gia vào quá trình này, cũng như những dạng khác của bệnh Alzheimer  bằng cách phát sinh ra những đọan peptide ngoại bào từ protein thần kinh xuyên màng (transmembrane neuronal protein); những đọan này tích  tụ đến một số lượng dự thừa và hình thành khối tập hợp các protein không được gấp (misfolded protein) được gọi là tấm amyloid (amyloid plaque), những tấm này có thể làm bị thương tế bào thần kinh, góp phần vào hiện tượng thoái hóa và mất đi.

 

Cả Notch và Delta là glycoproteins. Sự tưong tác của chúng được điều hòa bởi quá trình glycosyl hóa (glycosylation) Notch. Khi thêm O-linked oligosaccharide (O-linked oligosaccaride) lên Notch nó sẽ thay đổi tính đặc hiệu của Notch lên các phối tử.

Lộ trình tín hiệu (signaling pathways) phụ thuộc sự phân giải protein điều hòa của protein điều hòa gene tiềm ẩn (signaling pathways dependent on regulated proteolysis of latent gene regulatory proteins).

 

Protein Hedgehog gắn với protein Patched, giúp cho sự ức chế protein Smootheneds

 

Protein Hedgehog và protein Wnt họat động theo các cách tương tự nhau. Cả hai đều là phân tử tín hiệu bài tiết (secreted signal molecule), họat động như một chất trung gian tại chỗ và morphogens trong nhiều mô động vật có xương sống, cũng như động vật không có xương sống. Cả hai lọai protein được gắn với các phân tử lipid liên kết cộng hóa trị, phụ thuộc vào heparan sulfate proteoglycans bám trên bề mặt tế bào bài tiết (secreted) để họat động, và hoạt hóa protein điều hòa gene tiềm ẩn (latent gene regulatory protein) bằng cách ức chế sự phân giải protein của nó (proteolysis). Cả hai đều khởi động một sự thay đổi từ protein ức chế sao chép thành protein hoạt hóa cho quá trình sao chép, và các tín hiệu quá mức (excessive signaling) dọc theo lộ trình tín hiệu nào trong các tế bào trưởng thành đều có thể dẫn đến ung thư. Thậm chí, chúng còn sử dụng một số trong vài protein truyền tín hiệu nội bào (intracellular signaling protein), và đôi khi, cộng tác với nhau để gián tiếp gây nên đáp ứng.    

 

Các protein Hedgehog được phát hiện đầu tiên ở ruồi Drosophil. Họ protein này (protein family) chỉ có duy nhất một thành viên ở loài này. Đột biến của gene Hedgehog sản xuất nên một ấu trùng phủ đầy bởi các bướu có gai nhọn (a larva covered with spiky process) (các vẩy nhỏ - denticle), như một con nhím (Hedgehog). Ít nhất có 3 gene chuyển mã protein Hedgehog ở động vật có xương sống, nhím Sonic, nhím Sa mạc, và nhím Ấn Độ (Sonic, Desert and Indian hedgehog). Các dạng họat động của tất cả protein Hedgehog được gắn với cholesterol bằng các liên kết cộng hóa trị, cũng như với chuỗi acid béo. Cholesterol được thêm vào trong suốt một giai đoạn hình thành bất thường, trong đó protein của tế bào tiền thân tách ra khỏi chính nó để sản xuất nên một protein tín hiệu chứa đựng cholesterol nhỏ hơn. Tuy nhiên, đa số trong những gì chúng ta biết về lộ trình tín hiệu xuôi dòng được hoạt hóa vởi protein Smoothened, được biết đến đầu tiên hết từ những nghiên cứu di truyền trên ruồi, và đó chính là lộ trình tín hiệu của ruồi mà chúng ta tóm tắt ở đây.

 

 

Ba protein xuyên màng – Patched, Smoothened và iHog làm trung gian đáp ứng đến protein Hedgehog. Patched được cho rằng sẽ xuyên qua màng bào tương 12 lần, mặc dù đa phần trong số đó nằm trong các túi nội bào (intracellular vesicle), một số trên bề mặt tế bào nơi nó sẽ gắn kết với protein Hedgehog. Protein iHog bốn hoặc năm vùng immunoglobulin-like (immunoglobulin-like domain), hai hoặc ba vùng fibronectin-type-III-like, các vùng này nằm trên bề mặt tế bào, người ta cho rằng các vùng này có nhiệm vụ như những thụ thể cho protein Hedgehog, có lẽ hoạt động như đồng thụ thể (co-receptor) với Patched. Smoothened là một protein xuyên màng seven-pass (seven-pass transmembrane protein) với một cấu trúc rất tương đồng với protein Frizzled. Khi không có tín hiệu Hedgehog (Hedgehog signal), thông qua vài cơ chế chưa được biết rõ, Patched giữ Smoothened bị cô lập và bất hoạt trong các túi nội bào (intracellular vesicle). Sự gắn kết Hedgehog với iHog, với Patched ức chế hoạt động của Patched, đồng thời, gây nên hiện tượng nhập bào (endocytosis) và giáng cấp của nó. Kết quả: Smoothend được phosphoryl hóa (phosphorylate), di chuyển đến bề mặt tế bào và tiếp tín hiệu xuôi dòng.

 

Hiện tượng xuôi dòng được sự tác động trung gian bởi một protein điều hòa gene tiểm ẩn – được gọi là Cubitus interuptus (Ci). Khi không có tín hiệu Hedgehod (Hedgehog signal), Ci được “ubiquitin hóa” và tách các phân tử protein trong proteasome. Tuy nhiên, thay vì bị giáng cấp hoàn toàn, Ci được xử lý để tạo thành một protein nhỏ hơn, tích tụ dần trong nhân. Tại đây, protein họat động với vai trò là chất ức chế sự sao chép, giúp giữ cho gene đáp ứng Hedgehog trong trạng thái “im lặng” (silent). Quá trình ly giải protein này của protein Ci phụ thuộc vào sự phosphoryl hóa nó bởi ba protein serine/threonine kinase – PKA, và hai kinase cũng được sử dụng trong lộ trình Wnt (Wnt pathway), được đặt tên là GSK3, Ck1. Cũng giống như trong lộ trinh Wnt (Wnt pathway), quá trình ly giải protein xảy ra trong một phức hợp đa protein. Phức hợp này bao gồm serine/threonine kinase Fused và một protein scaffold (scaffold protein) Costal2, protein Costal2 kết hợp bền vững với Ci, chọn lựa 3 kinase khác, và gắn phức hợp với các vi ống (microtubules), do đó, giữ Ci chưa được xử lý bên ngòai nhân.

 

Khi lộ trình tín hiệu Hedgehog (Hedgehog pathway) được hoạt hóa, Smoothened bị thả trôi nổi trong màng bào tương, nó tuyển chọn phức hợp protein chứa đựng Ci, Fused và Costal2. Costal2 không còn có thể gắn kết với 3 kinase khác, và như vậy. Ci không còn được phân tách ra nữa. Bây giờ, protein Ci chưa qua xử lý có thể vào bên trong nhân và họat hóa sự sao chép gene đích Hedgehog. Trong số các gene được hoạt hóa bởi Ci là bản thân protein Patched, kết quả là làm tăng số lượng protein Patched trên bề mặt tế bào, ức chế hơn nữa việc cung cấp tín hiệu Hedgehog, cũng như một ví dụ khác về vòng tác hồi âm.

 

Nhiều khoảng trống trong sự hiểu biết về lộ trình tín hiệu Hedgehog còn cần được lấp đầy. ví dụ, người ta vẫn chưa được biết rằng, protein Patched giữ Smoothened bất hoạt và ở nội bào như thế nào? Bởi vì cấu trúc của protein Patched tương tự như protein vận chuyển xuyên màng (transmembrane transporter protein), vấn đề này hiện được giải thích bằng cách cho rằng nó cũng vận chuyển một phân tử nhỏ vào bên trong tế bào, và chính phân tử này giữ cho Smoothened bị cô lập trong các túi.

 

Lộ trình Hedgehog trong tế bào động vật có xương sống và con người còn phức tạp hơn  nhưng lại còn ít được biết rõ hơn. Có thêm ba thể trong số ít nhất ba lọai protein Hedgehog của động vât có xương sống, có 3 protein điều hòa gene Ci-like (Gil1, Gil2, Gil3) xuôi dòng Smoothened. Chỉ Gli3 cho thấy có trải qua một tiến trình làm ly giải protein như Ci, và họat động vừa như một chất ức chế, vừa như một chất họat hóa sự sao chép. Cả hai Gil1, Cil2 được cho rằng chúng họat động chọn lọc như chất hoạt hóa sao chép. Hơn nữa, ở động vật có xương sống, Smoothened, nhờ vào sự hoạt hóa, trở nên khu trú đến một vị trí đặc biệt trên màng bào tương – bề mặt lớp lông chuyển nguyên phát (the surface of the primary cilium), lông tỏa ra từ lớp bề mặt của hầu hết các lọai tế bào động vật có xương sống. Dù vậy, lớp lông chuyên nguyên phát (primary cilium) họat động như trung tâm tín hiệu Hedgehog và protein Gli cũng được tập trung tại đây. Có lẽ sự sắp xếp này lằm tăng tốc độ và hiệu quả của quá trình truyền tín hiệu. 

 

Lộ trình Hedgehog có thể thúc đẩy tăng sinh tế bào, và sự quá mức tín hiệu Hedgehog có thể dẫn đến ung thư. Ví dụ, bất hoạt các đột biến ở một trong hai gene Patched người, thường dẫn đến tình trạng biểu hiện quá mức tín hiệu Hedgehog (hay xảy ra trong carcimona tế bào đáy của da). Đây là dạng ung thư thường gặp nhất ở các dân tộc người Caucasia (Âu Châu, Bắc Phi, Tây Á, Ấn Độ).

 

Một phân tử nhỏ được gọi là cyclopamide, được làm từ meadow lily, đang được sử dụng để chữa trị ung thư kết hợp với quá tải tín hiệu Hedgehog (excessive Hedgehog signaling). Phân tử này khóa tín hiệu Hedgehog (Hedgehog signaling) bằng cách gắng chặt với Smoothened, ức chế hoạt động của nó. Đầu tiên, nó được xác định bởi vì nó gây ra nhiều khiếm khuyết phát triển trầm trong thế hệ con cháu của loài cừu ăn những cây hoa huệ tây này; các khiếm khuyết này bao gồm tình trạng hiện diện duy nhất một mắt ở chính giữa mặt (tình trạng này còn gọi là cyclopia), còn được quan sát thấy ở chuột thiếu tín hiệu Hedgehog (Hedgehog signaling).

 

 

 

Hình 43.11: Tín hiệu Hedgehog (Hedgehog signaling) của ruồi Drosophila. (A )Khi không có tín hiệu Hedgehog, Patched giữ cho Smoothened bị bất hoạt và bị cô lập trong các túi nội bào (intracellular vesicle). Protein Ci được gắn vào phức hợp giáng cấp protein (protein degradation complex) trong bào tương, phức hợp bao gồm serine/threonine kinase Fused vả scaffold protein Costal2.  Costal2 thúc đẩy (recruit) 3 protein kinase khác (PKA< GSK3, CK1) phosphoryl hóa Ci. Ci đã được phosophoryl hóa, tiếp theo sẽ được “ubiquitin hóa” (ubiquitylated), rồi được phân tách ra (cleave) trong proteasome (không có trong hình) để hình thành một protein ức chế sao chép, protein ức chế này tích tụ trong nhân, giúp cho gene đích hedgehog bất hoạt. (B) Hedgehog gắn iHog, Patched loại bỏ sự ức chế của Smoothened (do Patched kiểm soát). Smoothened được phosphoryl hóa bởi PKA và CK1, di chuyển đến màng bào tương, tại đây, Smoothened thu hút Fused và Costal2 đến. Costal2 phóng thích 3 kinase khác và Ci chưa được xử lý. Protein Ci đủ độ dài (Full-length Ci protein) tích tụ trong nhân và họat hóa sao chép gene đích Hedgehog (Hedgehog target gene). Protein iHog trong các loài động vật có vú được gọi là BOC và CDO. Nhiều cơ chế trong lộ trình này vẫn còn được hiểu biết rất ít ỏi, bao gồm vai trò của Fused.

 

Kết luận

 

Nhu cầu cho truyền tín hiệu giữa các tế bào không bao giờ tách rời khỏi nhu cầu phát triển của sinh giới nói chung và con người nói riêng. Mỗi tế bào trong phôi phải được hướng dẫn theo một lộ trình phát triển đặc trưng hoặc các lộ trình khác liên quan đến quá trình phát triển của tế bào tại vị trí của nó và đặc tính các tế bào lân cận.

 

Vào mỗi bước trong lộ trình, tế bào này phải trao đổi các tín hiệu với các tế bào lân cận để phối hợp các hoạt động của chúng lại với nhau, đảm bảo chính xác số lượng và khuôn mẫu của các lọai tế bào khác nhau trong mỗi mô và cơ quan. Đa số các lộ trình tín hiệu đã được đề cập ở các chương trước đều được sử dụng rộng rãi cho những mục đích phát triển, kiểm soát sự sống tế bào, tăng sinh, kết dính, đặc hiệu hóa, biệt hóa và di cư.

 

Tuy nhiên, có những lộ trình tín hiệu khác cũng quan trong trong điều khiển các tiến trình phát triển như các tín hiệu liên tiếp theo những con đường khác từ các thụ thể trên bề mặt tế bào đến bên trong tế bào. Trong số các lộ trình này, vài lộ trình phụ thuộc vào sự phân giải protein được điều hòa (regulated proteolysis) để kiểm soát họat động và vị trí của “protein điều hòa gene tiềm ẩn” (latent gene regulartory proteins), các proteins vào trong nhân và kích hoạt sự chuyển mã (transcription) các gene đích đặc hiệu xảy ra chỉ sau khi các gene được nhận tín hiệu để làm như vậy. Mặc dù proteins STAT và Smad cũng là các protein điều hòa gene tiềm ẩn nhưng chúng được hoạt hóa bởi sự phosphoryl hóa (phosphorylation) nhằm đáp ứng các tín hiệu ngoại bào, hơn là bởi  sự thoái biến protein có tính chọn lọc cao.

 

Các lộ trình tín hiệu sử dụng các proteins điều hòa gene tiềm ẩn cung cấp chức năng nguyên phát của chúng - một lộ trình mà nó có các tín hiệu ngoại bào có thể kiểm soát sự biểu hiện gene; điều này có lẽ là tại sao chúng được sử dụng rộng rãi trong quá trình phát triển, đặc biệt để điều khiển các quyết định số phận tế bào. Tuy nhiên, hiểu biết của con người về các phức hợp thông tin phức tạp này vẫn còn đang được tiếp tục nghiên cứu nhiều hơn.

 

 

Sửa lần cuối ngày 24/11/2012 - 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