Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

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

 

 

KHÁI LƯỢC VỀ EPIGENETICS

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

Epigenetics là một khái niệm đã được đề xuất từ thập kỉ 40 của thế kỉ XX bởi C.H. Waddington nhằm khảo sát hiện tượng biến đổi biểu hiện gene mà không do tác động của sự thay đổi hóa học của chuỗi DNA trong bộ gene. Thuật ngữ epigenetics bao gồm epi- (επί – ở trên hay ở ngoài) với genetics cho thấy toàn thể tiến trình diễn ra ở ngoài chuỗi DNA và dĩ nhiên không có sự biến đổi nào trong DNA của bộ gene. Từ thế kỉ XIX, người ta đã nhận thấy sự dồi dào thực phẩm trong một mùa bội thu có thể gây sự béo phì cho thế hệ sau mặc dù ở thế hệ sau không có những mùa bội thu tương tự. Hiện tượng này sau đó được biết là do thực phẩm, nhất là các nhóm methyl, SH-, acetyl trong thực phẩm đã gây ra sự biến đổi trong việc biểu hiện các gene có thể gây béo phì. Sự biến đổi trong thế hệ này do các yếu tố ngoại lai gây ra trên sự biểu hiện gene, có thể truyền sang những thế hệ sau. Vấn đề hiện nay thế giới phải đối mặt về vấn nạn béo phì không phải là do dinh dưỡng thừa ở thế hệ hiện tại mà do sự tích lũy các biến đổi biểu hiện gene về mặt epigenetic được di truyền từ những thế hệ trước

Những sự biến đổi biểu hiện gene này đã được biết hiện hữu từ tế bào mầm (germ cell) đến phôi và sinh vật trưởng thành. Như vậy, bản thân của hiện tượng epigenetic là một sự điều biến phenotype. Hậu quả của những sự điều biến này có thể đi từ sự phát triển bình thường của phôi đến sự phát triển ung thư ở sinh vật trưởng thành. Tuy sự điều biến phenotype vô cùng đa dạng những thay đổi phân tử của hiện tượng này lại tương đối khá đơn giản theo những gì người ta biết cho đến nay.

Một thí nghiệm đơn giản đã cho thấy hiện tượng này liên quan đến mội trường sống của sinh vật và là hậu quả của sự điều biến epigenetic: chuột con nếu được nuôi dưỡng từ chuột mẹ với dinh dưỡng và môi trường tốt sẽ trưởng thành như một sinh vật thoải mái và ngược lại.

Hình 48.1: Chuột con trong điều kiện thiếu dinh dưỡng khi trưởng thành dễ bị âu lo (anxiety)

Hình 48.2: Chỉ cần đưa thuốc có thể cung cấp nhóm methyl gắn vào cặp base C-G đã có thể biến đổi chuột từ trạng thái thoải mái thành trạng thái âu lo.

Hình 48.3: Toàn thể tiến trình stress là một chuỗi biểu hiện gene nhằm đáp ứng với tình trạng này do phản ứng của trục hypothalamus-pituitary-adrenal. Chuỗi biểu hiện gene này tạo ra corticotrophin releasing hormone (CRH) ở hypothalamus, adreno-corticotropic hormone (ACTH) ở tuyến yên và cortisol ở tuyến thượng thận, toàn thể hay một phần của các quá trình biểu hiện gene có thể bị biến đổi mãi mãi (remodeling) nếu tình trạng stress kéo dài nhưng có thể chỉ là một phản ứng tạm thời để tạo ra kiểu hình thích ứng (adaptive phenotype).

Từ các ví dụ trên, epigenetics được định nghĩa là nghành học nghiên cứu những biến đổi biểu hiện gene có thể di truyền xảy ra mà không có sự thay đổi nào trong chuỗi DNA của bộ gene. Tuy nhiên, những thay đổi gần đây trong việc sử dụng thuật ngữ đã gợi ý cần phải bỏ bớt tính chất di truyền và như vậy các biến cố epigenetic nên được định nghĩa lại là“ sự thích ứng cấu trúc của nhiều vùng trênNST để xác định, khởi động tín hiệu hay biến đổi hoạt động mãi mãi ”.

Hình 48.4: Minh họa sự gắn kết của nhóm methyl vào chuỗi DNA ở vị trí CpG.

Sự biến đổi biểu hiện gene về mặt epigenetic khởi nguồn từ sự thay đổi khả năng tiếp cận đến các genes đặc biệt của bộ máy chuyển mã (transcription machinery) ở loài eukaryote, hầu hết là thay đổi cấu trúc nhiễm sắc chất hay RNA interference (RNAi). Các thành phần chính trong quá trình điều tiết sự chuyển mã là DNA methylation, biến đổi histone và các biến tướng, proteins nhiễm sắc chất không phải là histone, small interfering RNA (siRNA) và micro RNA (miRNA). DNA methylation là một quá trình chuyển nhóm methyl  từ S-adenosylmethionine  đến đầu 5´ của vòng cytidine. Ở loài có vú, cytidines gắn kết với guanosine trên chuỗi tương thích và có những đoạn trên cùng một mạch có trình tự C-G.Do vậy, thuật ngữ CpGs để chỉ vị trí methyl hóa ở trình tự C-G trên 2 cùng mạch DNA, cần phân biệt với việc gắn kết C-G trên chuỗi DNA tương hợp và trường hợp trên chuỗi cùng mạch khác như CpG oligodeoxynucleotide ( p là phosphodiester). Cytosines gắn kết với base khác ngoài guanine (như CpA) cũng có thể bị methyl hóa. CpGs hiện diện rất nhiều trong một đoạn DNA ngắn được gọi là đảo CpG, được phát hiện gần 40% trong các promoters của động vật có vú.

Methyl hóa DNA được thiết lập và duy trì bởi các enzymes thuộc họ DNA methyltransferase (DNMT). Hệ quả của methyl hóa DNA trên sự biểu hiện gene là gây nên một sự hỗn độn làm giảm sự biểu hiện gene, vì vậy được gọi là làm câm nín gene (gene  silencing). Hiện tượng câm nín này có thể do phát động tiến trình giảm ái lực hay hủy bỏ hoàn toàn khả năng gắn kết của các yếu tố chuyển mã (transcription  factor) vào vùng DNA bị methyl hóa hoặc tương tác trực tiếp với DNMTs, histone deacetylases, methyltransferases hay các đồng ức chế chuyển mã khác.

Hình 48.5: Cơ chế kháng viêm của corticosteroids trong hen phế quản.(1) Các gene gây viêm được hoạt hóa bởi các yếu tố gây viêm (IL-1β, TNF-α,…), hoạt hóa IKKβ (inhibitor of I-kappaB kinase-β), sau đó phân tử này sẽ hoạt hóa yếu tố phiên mã nhân NF-kappaB. Bộ dimer p50 và p65 của protein di chuyển vào trong nhân và gắn vào vị trí nhận diện và cũng là vùng đồng hoạt hóa kappaB (Như CREB, có hoạt tính HAT nội sinh). Kết quả của quá trình này là sự acetyl hóa histone và do vậy tăng biểu hiện của gene mã hóa cho nhiều protein đáp ứng viêm. (2) Các thụ thể của glucocorticoid gắn vào corticosteroids, phức hợp này vào nhân và bất hoạt hoạt tính của HAT bằng hai cách: Trực tiếp – quan trọng hơn bởi histone deacetylase-2 (HDAC2) – đảo ngược quá trình acetyl hóa histone và ức chế các gene gây phản ứng viêm.

NST có các protein histone và non-histone gắn kết vào DNA của NST. Nucleosome thì được cấu tạo bằng một vòng xoắn DNA quanh cấu trúc octamer histon bao gồm hai dimer H2A-H2B và một tetramer H3-H4. Trong đó H1 ở mặt ngoài của histon là thành phần tạo nên chuỗi zigzag của nucleosome để hình thành cuộn của sợi NST. Người ta còn biết rằng, NST tồn tại được ở hai dạng: Là dạng “đóng” (heterochromatin) và dạng “mở” (euchromatin).

 

Hình 48.6: các cơ chế điều biến histone, AC: acetylation, Me: Methylation, Ub: ubiquitination ubiquitin là một protein khi gắn vào một protein khác có khả năng giải xoắn protein đó thành một peptide bậc I,SU: sumoylation sumo là một phân tử ubiquitin có khối lượng nhỏ vì vậy có tên là small ubiquitin modification, P: phosphorylation.

NST chuyển từ dạng không hoạt động (đóng) thành dạng hoạt động (mở) là bởi quá trình điều hòa sau dịch mã (postranslational modification) của histone. Ngày nay, người ta đã biết rằng các quá trình điều hòa cộng hóa trị (covalent modification, còn được gọi là histone code) của histone bao gồm sự acetyl hóa lysine, methyl hóa lysine và arginines, phosphoryl hóa serine và threonines, ADP-ribosyl hóa acid glutamic, ubiquitin hóa và sumoyl hóa lysine. Những quá trình điều hòa này xảy ra ở đầu N của protein histone vì nó là phần nằm ngoài nucleosome.

Epigenetics, thông qua sự điều hòa của thông tin di truyền, đóng vai trò cơ bản trong các quá trình của sự sống như sự tăng sinh và phát triển của tế bào, các trạm “kiểm soát” sự sống và cái chết của tế bào. Do vậy, các enzyme điều hành NST đang được nghiên cứu nhằm áp dụng vào trị liệu nhiều loại bệnh, ví dụ như HDACs và DNMT hiện nay đang được thử nghiệm thực tế lâm sàng.

HATs là một nhóm phân tử điều hòa phiên mã, nó gắn gốc acetyl (có nguồn gốc từ Co-A) vào vị trí lysine ở đầu N của histon. Sự acetyl hóa này sẽ hoạt hóa quá trình phiên mã và ngược lại, sự deacetyl hóa sẽ gây nên hiện tượng “silence”. Ngoài ra, sự ổn định và chức năng của nhiều loại protein non-histone cũng được điều hòa bởi trạng thái acetyl hóa của lysine. Các protein có hoạt tính tương tự HATs bao gồm GNAT (GCN5, PCAF), CBP/p300, TAFII250 (TFIID), SRC-1, ACTR và MYST. Cũng cần nhớ rằng, phức hợp HAT liên quan đến nhiều quá trình khác nhau ngoài hoạt hóa phiên mã, như sự silence gene hay tái cấu trúc DNA và chu kì tế bào. Các enzyme bị rối loạn chức năng sẽ gây ra nhiều loại bệnh, từ thoái hóa neuron đến ung thư.

Hình 48.7: Sự giải xoắn của nucleosome trên NST. DNA của NST được cuộn thành những cấu trúc có đường kính 30nm. Sự giải xoắn cuối cùng tạo ra các đoạn DNA tự do có thể tiếp cận được với RNA polymerase II.

Cơ chế phân tử của epigenetics đơn giản nhất là sự methyl hóa chuỗi DNA ở vị trí cytosine, sự methyl hóa này không cho phép enzyme RNA polymerase II tiếp cận với chuỗi DNA. Mặt khác, methyl hóa DNA tại vị trí CpG còn có khả năng tập trung HDAC (histone deacetylase)Như vậy, nó ức chế quá trình chuyển mã (transcription), không thể thành lập được chuỗi mRNA.Thật vậy, để có thể thực hiện được hiện tượng chuyển mã cần thiết phải có sự giải xoắn của DNA khỏi histone (giải xoắn nucleosome). Nhưng hiện tượng giải xoắn này lại tùy thuộc vào 2 enzyme histone acetyltransferase (HAT) và histon deacetylase (HDAC). HAT có nhiệm vụ chuyển nhóm acetyl có thể có nguồn gốc nội sinh hay ngoại sinh đến phân tử histone.

Sự gắn kết của các acetyl vào các vị trí lysine kể trên làm cho histone không thể gắn kết chặt với chuỗi DNA do đó tạo nên sự giải xoắn, trái lại khử acetyl giúp cho sợi DNA kết hợp chặt với histone. Hiện tượng này là hiệu ứng lập thể khá quen thuộc trong hóa học.

 

Hình 48.8: Sự chuyển nhóm acetyl  tới histone. TBP: TATA binding protein

Hình 48.9: Tất cả các tiểu đơn vị của phức hợp histone đều là vị trí gắn kết với nhóm acetyl. Men HAT gắn gốc acetyl vào aa lysine của histone ở vị trí 9, 14, 18, 23, 27 (trên H3), vị trí 5, 8, 12, 16 (trên H4), vị trí 5, 12, 15, 20 (trên H2B) và vị trí 5 (trên H2A). HDAC thực hiện tiến trình ngược lại khử nhóm acetyl khỏi vị trí gắn kết trên các aa lysine (K).

Hình 48.10: (a) HDAC loại bỏ gốc acetyl tại vị trí của  ε-lysine tại đầu N, ngăn chặn chuyển mã. (b) HAT có vai trò acetyl hóa lysine và do vậy hoạt hóa phiên mã.

Nhiễm sắc chất ở dạng xoắn được gọi là dị nhiễm sắc chất (heterochromatine) trong khi nhiễm sắc chất ở dạng giải xoắn gọi là đồng nhiễm sắc chất (homochromatine hay euchromatine).Như vậy toàn thể gene hoặc một phần gene có thể tiếp cận được hay không tùy thuộc vào sự điều tiết epigenetic, thật vậy cùng một chuỗi DNA có thể cho phenotype hoàn toàn khác nhau. Tác giả B.McClintock đã giải thích hiện tượng khảm màu của hạt trên một trái bắp dù gene như nhau (cùng genotype) lại cho màu sắc khác nhau (khác phenotype)

Epigenetic còn có vai trò trong sự điều biến đoạn telomeres khiến cho một tế bào thay vì được biệt hóa trở nên một tế bào ung thư vì giữ được khả năng sinh sản và chống lại hiện tượng apoptosis.

Telomere ngắn dần sau mỗi lần bào phân của tế bào gốc dẫn tới một số khiếm khuyết về mặt epigenetic trên cả 2 đoạn telomere và subtelomere của nhiễm sắc chất có thể bật cò cho cơ chế nối dài telomere theo cách chọn lọc và tăng hoạt tính. Hoạt hóa các cơ chế này cho phép tế bào ung thư có khả năng tăng trưởng vô hạn. Ac, acetylation mark; ALT, alternative lengthening of telomeres; HP1, heterochromatinprotein 1; Me, histone-methylation mark; TRF, Myb-domain-containing telomere binding factor; 5metC,DNA methylation at 5-methylcytosine.

Hình 48.11: Telomere ở tế bào gốc tế bào biệt hóa và tế bào ung thư.

  

Sửa lần cuối ngày 7/1/2013 - 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