Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

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

 

 

NHẬP MÔN MIỄN DỊCH HỌC PHÂN TỬ

INTERLEUKINS & CHEMOKINES

Nguyễn Phước Long

Bài viết này sẽ không hiện diện nếu không có sự hướng dẫn chi tiết của thầy Phùng Trung Hùng kính yêu.

Tổng quan

Miễn dịch học phân tử là một môn học rất khó tiếp cận vì nhiều lý do. Thứ nhất, nó có quá nhiều chi tiết, mà thỉnh thoảng cần phải nắm bắt đầy đủ một khối lượng lớn chi tiết nhất định thì mới có thể hiểu được một định nghĩa hoàn chỉnh. Để giải quyết được khó khăn này, chúng ta cần thiết phải tập trung nắm bắt bức tranh tổng quan trước hết. Khó khăn thứ hai là miễn dịch học có khá nhiều ngoại lệ trong qui luật và chính các ngoại lệ này góp phần khẳng định qui luật chung. Chi tiết này rất thú vị đối với các nhà miễn dịch học, nhưng với người mới bắt đầu đó là cả một trở ngại lớn. Tiếp theo, khó khăn lớn cuối cùng nằm ở chính bản thân hiểu biết của chúng ta về miễn dịch học còn nhiều thiếu sót, một khẳng định ngày hôm nay có thể bị bác bỏ ngay ngày hôm sau. Do vậy tài liệu được bạn sử dụng lúc này có thể đã không còn đúng nữa.

PHẦN A: INTERLEUKINS

Hình 49.1: Tổng quan về các vai trò của cytokines.

Các phân tử cytokines bản chất là protein tan trong nước, chúng có cách thức hoạt động theo kiểu tự tiết (autocrine), cận tiết (paracrine) và nội tiết (endocrine). Cytokines có rất nhiều vai trò, nhất là với hệ miễn dịch của cơ thể như tăng sinh – phát triển – biệt hóa – apoptosis và hóa hướng động (chemotaxis). Chúng bao gồm 35 phân tử interleukins (từ IL-1 đến IL-35), các colony stimulating factors (macrophage CSF, granulocyte CSF và granulocyte macrophage CSF), hormone tăng trưởng, erythropoietin (EPO), interferons, TNFs, NGF và các chemokines.

Hầu hết các thụ thể của cytokine đều có thành phần phức tạp từ các tiểu đơn vị có cấu trúc khác nhau do vậy có vai trò khác nhau. Ví dụ như thụ thể của GM-CSF có 2 tiểu đơn vị khác nhau là: GMRα đặc hiệu cho GM-CSF và βc có mặt trong cả thụ thể của GM-CSF, IL-3 và IL-5. Cả 2 tiểu đơn vị này đều có chứa một đầu N tận ở trong bào tương, một vòng xoắn xuyên màng và đầu tận C ở ngoài tế bào. GMRα có 2 domain fibronectin type III còn trong βc có chứa tới 4 domain này. Cấu trúc được xác định bằng tia X thành phần ngoại bào của các thụ thể này đã được xác định rõ còn domain ở trong bào tương vẫn còn chưa được biết.

Trong chương này, chúng ta sẽ khảo sát các interleukins chính, một thành viên của họ phân tử cytokines và lại rất quen thuộc với chúng ta, tuy nhiên ít khi được hệ thống hóa trọn vẹn.

Lộ trình tín hiệu JAK-STAT

Hình 49.2: Các bước của lộ trình JAK-STAT được mô tả.

 

James Darnell đã xác định được hầu hết tín hiệu gây ra bởi cytokines được truyền vào trong tế bào theo lộ trình tín hiệu JAK-STAT. Các thụ thể này tạo thành một phức hợp với họ protein Janus Kinase (JAK) gồm 4 thành viên là JAK1, JAK2, JAK3 và Tyk2. Mỗi loại protein đều có chứa 2 domains PTK (Janus là tên một vị thần La Mã). Còn STATs là Signal Transducers and Activators of Transcription, một họ protein có domain SH2, đóng vai trò là một yếu tố phiên mã duy nhất được điều hòa bởi sự phosphoryl hóa amino acid Tyrosine.

Hình 49.3: Ở trạng thái bất hoạt, Scr-homology-2 (SH2) domain gắn vào đầu C và gắn kết với SH3. Khi tyr527 không còn gốc phosphate thì SH2 và SH3 sẽ được giải phóng để cho phép cơ chất được phosphoryl hóa.

Thứ tự các bước trong lộ trình tín hiệu JAK-STAT như sau:

1.      Cytokines gắn vào thụ thể của nó và sau đó thụ thể thực hiện quá trình oligomer.

2.      Các thành phần của thụ thể được đưa vào đúng vị trí của nó. Ví dụ trong trường hợp của thụ thể GM-CSF, JAK2 gắn kết vào domain βc và sau đó xảy ra quá trình tự phosphoryl hóa lẫn nhau của các tiểu phân. Cần lưu ý rằng JAKs không có cả domain SH2 và SH3.

3.      STATs gắn vào Tyrosine đã được phosphoryl hóa thông qua domain SH2 của nó và sau đó được phosphoryl hóa từ gốc phosphate của Tyrosine của JAK.

4.      STATs sẽ trải qua quá trình đồng dimer hóa hay dị dimer hóa thông qua sự tương tác giữa vị trí Tyrosine được phosphoryl hóa và domain SH2.

5.      STAT dimer được chuyển vào trong nhân và đóng vai trò là một yếu tố phiên mã tương tự như cách thức của các MAPKs.

 

Hình 49.4: Minh họa lộ trình tín hiệu của Ras-MAPK

Interleukins

Interleukin là một nhóm cytokines gồm khoảng 35 thành viên có chức năng khác nhau. Hầu hết interleukins tác động qua thụ thể cytokines và hoạt hóa lộ trình tín hiệu JAK/STAT. Tuy nhiên, interleukin 1 (IL-1) lại hoạt động thông qua lộ trình tín hiệu của thụ thể Toll-like (Toll-like receptor signalling pathway).

Interleukin-1 (IL-1)

IL-1 là một cytokines của phản ứng viêm cấp tính, được giải phóng và đáp ứng với tình trạng nhiễm khuẩn hay tổn thương tế bào gây ra bởi hệ thống miễn dịch bẩm sinh (như macrophage chẳng hạn). IL-1 bao gồm 2 loại là IL-1α và IL-1β (catabolin), chúng chỉ giống nhau khoảng 30% nhưng lại bám vào cùng 1 loại thụ thể và có chức năng sinh học giống nhau. Lưu ý là  IL-1 βlà dạng có vai trò sinh học chính. IL-1 được tiết ra từ monocyte/macrophage, B cells, fibroblasts, hầu hết các tế bào biểu mô (kể cả biểu mô tuyến ức) và các tế bào nội mô; được dự trữ trong các tế bào keratin và được giải phóng nhanh chóng khi có vết thương ở da và tín hiệu nhanh chóng bao quanh tế bào thuộc tất cả các loại tế bào trong cơ thể để cho biết rằng có tình trạng tổn thương đang xảy ra.

Sự sản xuất IL-1 thường đòi hỏi 2 đợt tín hiệu riêng biệt. Đầu tiên là tín hiệu hoạt hóa sự chuyển mã của gene và sản xuất chuỗi polypeptide 33kD tên là pro-IL-1β. Thứ hai là tín hiệu hoạt hóa các inflammasome để quá trình cắt đứt tạo protein tiền chất trên choh ra IL-1 βtrưởng thành 17kD.

Hình 49.5: Minh họa tóm gọn lộ trình tín hiệu của IL-1

IL-1 hoạt động thông qua thụ thể của nó, IL-1R – một loại thụ thể không chứa enzyme, thành viên của siêu họ thụ thể Toll-like receptor. Domain ngoại bào của thụ thể có chứa 3 domain immunoglobulin-like và domain trong bào tương là domain Toll/IL-1R gồm 3 motif hộp  phổ biến trong khắp các thụ thể. Các motif này chính là thành phần sẽ hoạt hóa lộ trình tín hiệu trong các đáp ứng miễn dịch. Khi IL-1 gắn kết vào thụ thể, nó tạo ra luồng tín hiệu cũng giống như các phân tử hoạt hóa thụ thể Toll-like receptor khác, hoạt hóa các transcription factor như NF-κB và AP-1. Lưu ý là điều này chỉ xảy ra khi thụ thể được hoạt hóa là thụ thể type 1, nếu là thụ thể type 2 thì sẽ không có bất kì quá trình truyền tin nào xảy ra.

Các vai trò sinh học của IL-1 được biết cho đến nay là: Tăng biểu hiệu của các phân tử kết dính, tăng sự di cư của neutrophils và macrophage, gây ra tình trạng sinh lý giống shock, tăng tạo protein ở gan, sốt, tăng sản xuất protein và sự tạo mới hồng cầu, thoái hóa sụn (vì tạo ra MMPs, một trong những vấn đề về bệnh lý xương khớp khá nóng hiện nay), kích hoạt iNOS, phản ứng viêm cấp tính.

Hình 49.6: Đáp ứng cục bộ và hệ thống của cytokines trong phản ứng viêm. TNF, IL-1, IL-6 có nhiều chức năng trong phản ứng viêm. TNF và IL-1 tác động trên leukocyte và endothelium để gây ra phản ứng viêm cấp tính. Cả 2 cytokines này còn sinh ra IL-6 để rồi 3 phân tử này cùng đồng loạt tác động. Chúng gây ra phản ứng sốt, tăng tổng hợp protein của gan, tăng tạo bạch cầu. Ngoài ra TNF còn có khả năng gây ra shock nhiễm trùng, bao gồm giảm chức năng của tim, huyết khối, rò bạch huyết, đề kháng insulin,…

Trong một số tài liệu, người ta còn nhắc đến IL-1 receptor antagonist (IL-1 RA) như là một thành viên của IL-1, nó có vai trò đối kháng lại tác động của IL-1 bằng cách giành vị trí gắn trên thụ thể chung của chúng. Ngoài ra, IL-18 cũng đã được xếp vào loại IL-1 và kể từ đây, IL-1 có hệ thống danh pháp khá phức tạp.

Interleukin-2

Hình 49.7: Interleukin-2 là một cytokine có cấu trúc gồm 4 vòng xoắn α 15kD. IL-2 gắn kết vào IL-2R qua tiểu đơn vị CD25 với hằng số cân bằng vào khoảng 10-8 và chính sự tương tác này tạo nên sự biến đổi cấu hình và ái tính của  IL-2 với CD122. Dimer CD25-IL-2 sau đó sẽ gắn kết với CD122 thông qua tiểu phân γc, phức hợp này có hằng số cân bằng vào khoảng 10-11. Trong trường hợp tế bào không có sự hiện diện của CD25, IL-2 có thể gắn kết với thụ thể của nó một cách trực tiếp với hằng số cân bằng vào khoảng 10-9.  Sau quá trình gắn kết phức tạp trên, 3 lộ trình tín hiệu sẽ được hoạt hóa, đảm bảo cho chức năng của IL-2.

Interleukin-2 (Aldersleukin, T-cell growth factor, lymphokine) có vai trò đặc hiệu trong việc kiểm soát hoạt động của tế bào T. Cụ thể, khi tế bào T được hoạt hóa, nó sẽ giải phóng IL-2 và sau đó phân tử này lại tác hồi dưới hình thức tự tiết vào lại tế bào để tạo cầu nối với các quá trình tín hiệu trước đó do thụ thể của tế bào T gây ra. Chính sự tuần hoàn này cũng góp phần thúc đẩy sự tổng hợp DNA trong tế bào.

Cũng như đa số các cytokine khác, IL-2 hoạt động thông qua lộ trình tín hiệu JAK-STAT. Thụ thể của IL-2 gồm 3 tiểu đơn vị là IL-2 α (CD25), IL-2 β(CD122) và γc. Cần lưu ý rằng, γc là tiểu đơn vị cũng có mặt trong thụ thể của IL-4 và một số IL khác. Khi thụ thể này gắn với IL-2, nó khởi động các phân tử truyền tin Jak1 và Jak3 để hoạt hóa các transcription factor STAT3, STAT5a và STAT5b. Ngoài ra, người ta còn thấy IL-2 hoạt hóa lộ trình tín hiệu Ras/MAPK và PI3-kinase/Akt.

Ngoài tế bào T, IL-2 còn có tác dụng với tế bào B, tế bào diệt tự nhiên, monocyte/macrophage. Vai trò sinh học của nó bao gồm hoạt hóa tế bào T, giúp tế bào này tăng sinh, tham gia lộ trình liên quan đến sự phát triển của tế bào B, tăng sinh và hoạt hóa tế bào diệt tự nhiên, tăng cường hoạt động của Monocyte/macrophage.

Interleukin-3

Hình 49.8: Lộ trình tín hiệu của IL-3.

Interleukin-3 được tiết ra bởi tế bào T đã hoạt hóa và được ví như là một cytokine tạo máu (haematopoietic cytokine) có chức năng kiểm soát quá trình tạo máu của cơ thể. Nó không chỉ đóng vai trò điều hành như một growth factor để kiểm soát sự biệt hóa tế bào gốc máu mà còn đóng vai trò biệt hóa và giúp các tế bào myeloid progenitor trưởng thành để tạo thành eosinophils, neutrophils, megakaryocytes và tiểu cầu. Tuy nhiên, IL-3 không chỉ hoạt động một mình mà nó còn thực hiện vai trò cùng EPO, GM-CSF và IL-6.

Hình 49.9: Mối quan hệ giữa các tế bào trong hệ thống miễn dịch.

Thụ thể của interleukin-3 là một heterotetramer bao gồm 2 IL-3α (CD123) và 2 tiểu đơn vị βc. Tiểu đơn vị βc này là một tiểu đơn vị truyền tin phổ biến, nó còn xuất hiện trong trường hợp của IL-5 và GM-CSF. Sau khi xảy ra sự gắn kết với IL-3, tiểu đơn vị βc sẽ cùng hoạt động cùng Jak2 để hoạt hóa STAT5a và STAT5b, kết quả là hoạt hóa c-myc (cell-cycle progression and DNA synthesis), IL-3 còn hoạt động thông qua lộ trình tín hiệu Ras (ức chế apoptosis). Người ta còn ghi nhận được rằng IL-3 có những thuộc tính sinh học trùng lấp nhưng biệt lập với GM-CSF.

Ngoài tế bào myeloid progenitor ra, interleukin-3 còn có tế bào đích là Monocyte/Macrophages, mast cell, eosinophil.

 

Interleukin-5

Hình 49.10: Mô tả cấu trúc của các thụ thể cytokin lớp I. Đặc thù của lớp thụ thể này là motif Box liên kết với lộ trình Jaks-STAT. Ở đây ta chú ý đặc biệt đến cấu trúc thứ 2 và thứ 3 bên dưới.

Hình 49.11: Dị ứng nguyên hoạt hóa Th2 đặc hiệu và tổng hợp IgE (nhạy cảm với tình trạng dị ứng). Sau đó hàng loạt các phản ứng xảy ra, hoạt hóa các trung gian gây viêm đáp ứng sớm và đáp ứng muộn (EAR và LAR). Trong đó, eosinophil giải phóng hàng loạt các trung gian tiềm viêm, bao gồm leukotriene, các protein nền tảng của nó (cationic protein, eosinophil peroxidase, eosinophil-derived neurotoxin), chúng còn là nguồn interleukin-3, 5, 13 quan trọng.

Hình 49.12: Tế bào Th2 và các chức năng của nó biểu thị thông qua các interleukins.

Interleukin-5 cũng là một cytokine tạo máu có chức năng kiểm soát quá trình tạo máu. Tuy nhiên, không giống các loại cytokine khác, nó có một ít tác động đến sự tăng sinh của stem cell và các progenitors ở giai đoạn sớm, nhưng chúng có tác động lớn hơn ở giai đoạn sau trong sự biệt hóa và trưởng thành của eosinophil.

Interleukin-5 được tạo ra từ tế bào Th-2 và mast cell là chủ yếu, ngoài ra nó cũng có biểu hiện ở eosinophil, tế bào diệt tự nhiên, TC2 CD8+ tế bào T, tế bào T CD45+ CD4+,... Gene mã hóa cho interleukin này nằm trên NST số 5 ở người, gần vị trí gene mã hóa cho IL-3, IL-4 và GM-CSF; tất thẩy chúng đều cùng biểu hiện trên tế bào Th2. Sự biểu hiện của IL-5 phụ thuộc vào một vài transcription factor, trong đó được biết rõ ràng nhất là GATA3.

Thụ thể của interleukin-5 là một heterotetramer cấu thành từ 2 tiểu đơn vị IL-5α và 2 tiểu đơn vị βc. Sau khi gắn kết với IL-5, tiểu đơn vị βc này sẽ hoạt động cùng Jak2 để hoạt hóa STAT5a và STAT5b. Ở tế bào chủ bình thường, IL-5 tác dụng lên eosinophils để tạo ra các kháng thể giới hạn sự tồn tại của kí sinh trùng thông qua việc giải phóng các protein gây độc. Ngoài ra IL-5 còn tăng điều hòa IgA và IgG, giảm điều biến (modulation) Mac-1, hoạt hóa tiết các leukotriene, cùng tương tác với eotaxin…

Interleukin-6

Lúc trước, người ta định nghĩa interleukin-6 là yếu tố biệt hóa tế bào B (B cell differentiation factor), nhưng giờ đây người ta đã biết được rằng nó tác động lên nhiều loại tế bào khác nhau. Sự hiện diện của IL-6 gợi ý tình trạng viêm mạn tính hay ung thư. Ngoài ra, IL-6 cũng được xem là một cytokine tạo máu do điều hành các growth factor trong quá trình tăng sinh của tế bào gốc ở giai đoạn sớm và cả ở giai đoạn tế bào myeloid progenitor để tạo megakaryocyte và tiểu cầu.

Thụ thể của IL-6 là nguyên mẫu (prototype) của một tiểu họ thụ thể IL-6 có chung tiểu đơn vị truyền tin là một glycoprotein 130 (gp130) (thụ thể của IL-11, cardiotropin (CT-1), ciliary neurotrophic factor (CNTF), leukaemia inhibitory factor (LIF) và oncostatin (OSM) cũng là thành viên của tiểu họ này). Tất cả các thụ thể này đều có 2 tiểu đơn vị α đặc hiệu cho mỗi loại cytokine và 2 tiểu đơn vị truyền tin (homodimer gp130 trong trường hợp của IL-6R và  IL-11R và heterodimer gồm 1 gp130 & 1 tiểu đơn vị khác). Trong cơ chế truyền tin, IL-6 hoạt hóa lộ trình tín hiệu qua Jak1/STAT3.

 

Hình 49.13: Lộ trình tín hiệu và vai trò sinh học của IL-6.

Người ta ghi nhận được các trường hợp bị đột biến gp130 sẽ gây ra bệnh lý inflammatory hepatocellular adenomas (IHCAs). Sự tương tác giữa IL-6 và thụ thể của nó cũng có thể gây ra tâm thần phân liệt (schizophrenia) vì tạo ra sự biến đổi kiểu hình của thành phần ức chế liên neuron  (từ tế bào đệm của liềm đen, vốn điều hòa nhịp điệu của não). Interleukin-6 còn được biết dưới cái tên là myokine (do tạo ra bởi tế bào cơ trong quá trình vận động) và là dấu hiệu báo trước sự xuất hiện của các interleukin khác trong hệ tuần hoàn. Tế bào cơ trơn lớp giữa của mạch máu cũng sản xuất cytokine như một yếu tố tiền viêm. Trong năm 2009, người ta còn tìm thấy dữ kiện chứng minh rằng IL-6 có vai trò trong trí nhớ về cảm xúc (emotional memories).

Kết lại, IL-6 có vai trò chính trong việc gây nên một tình trạng tổng hợp protein cấp tính, tăng trưởng và biệt hóa tế bào T và B, sự tăng trưởng và hoạt hóa hủy cốt bào.

Interleukin-10

Interleukin-10 (một cytokine đa tác động, pleitropic cytokine) là một thành viên của cytokine type II (bao gồm IL-19, 20, 22, 24, 26, 28, 29). Mặc dù các thành viên của họ cytokine này liên quan lẫn nhau vì có tổ chức gene tương đồng và các thụ thể tương tự nhau, chúng có chức năng rất khác nhau.

Interleukin-10 được tiết ra bởi tế bàoTh, các tế bào tua gai, macrophage, mast cell và eosinophil. Nó là một yếu tố kháng viêm mạnh mẽ và cũng là một yếu tố chống lại các phản ứng miễn dịch nói chung. Một trong những chức năng chính của IL-10 là giảm biểu hiện của phức hợp MHCII và giảm sự trưởng thành của các tế bào tua gai, giảm biểu hiện B7-1 và B7-2. IL-10 còn giảm sự hiện diện của kháng nguyên, do vậy giảm giải phóng IL-2, IL-4, IL-5 và interferon-γ. Nó cũng giảm sự hình thành của các phân tử trung gian trong phản ứng viêm như IL-1, IL-6 và TNF. Tổng hợp các tác động trên đây làm thoái lui các phản ứng viêm (thông qua lộ trình tín hiệu NF-κB) và đáp ứng miễn dịch. Các đáp dụng này xảy ra trên các tế bào T, B, tế bào diệt tự nhiên, mast cell và monocyte/macrophage.

Thụ thể của IL-10 gồm 2 tiểu đơn vị R1 và 2 tiểu đơn vị R2. Sau khi gắn kết với IL-10, các tiểu đơn vị này sẽ mở đầu hoạt động của Jak1 và Tyk2 để rồi hoạt hóa STAT3.

 

Hình 49.14: Minh họa chức năng của IL-10 trong phản ứng viêm và đáp ứng miễn dịch.

Vì những tính chất ức chế miễn dịch như trên, IL-10 là đối tượng của nhiều nghiên cứu trong việc chữa và kiểm soát nhiều loại bệnh tật khác nhau như HIV, đa xơ cơ, viêm khớp dạng thấp, bệnh Crohn,…

Hình 49.15: Lộ trình tín hiệu của IL-10

Interleukin-21

Interleukin-21 được tạo ra từ tế bào T CD4,  là một phân tử điều hòa mạnh của nhiều tế bào miễn dịch như tế bào B trung tâm mầm (germinal centre B-cell), tế bào diệt tự nhiên và tế bào T gây độc tế bào (cytotoxic T-cell). Thụ thể của interleukin-21 thuộc thụ thể cytokine loại I cũng giống như IL-2. Khi được hoạt hóa bởi IL-21, nó mở đầu hoạt động của Jak1 và Jak3 để hoạt hóa STAT3 tác dụng lên gene đích. Chức năng chính của IL-21 là kích hoạt sự tăng sinh của tế bào B, giảm hoạt động của các phân tử tiết bởi tế bào diệt tự nhiên (NKG2D/DAP10).

Hình 49.16: IL-21 điều hòa hoạt động của hầu hết các lymphocyte. Các tác động của tế bào T CD4+ và T CD8+ đã được ghi nhận khi người ta kích hoạt IL-21 và thụ thể tế bào T. Tuy nhiên, tác dụng của nó trên tế bào diệt tự nhiên cần có tác dụng của các cytokine khác hoặc phải hoạt hóa thông qua thụ thể Fc.

Hình 49.17: Các cross-talk giữa IL-21 và IL-7/IL-15

Các tế bào ung thư hạch dạng Hodgkin’s cũng có sản xuất IL-21, đây từng là một ngạc nhiên lớn đối với các nhà miễn dịch học. Điều này có thể dùng ứng dụng để làm một phép xét nghiệm tìm tế bào ung thư.

Ở chuột loại bỏ thụ thể IL-21, người ta nhận thấy sự tăng nồng độ của IgE và IgG1 sau khi phơi nhiễm với kháng nguyên. Điều này chứng tỏ IL-21 có vai trò trong đáp ứng quá mẫn cảm type 1.

Hình 49.18: Các thụ thể của IL-2, 4, 7, 9, 15, 21 đều có chung cấu trúc γc. Cần lưu ý rằng IL-12 và IFN-γ liên quan tới hoạt động của tế bào Th1 còn IL-4, 5, 13 liên quan tới tế bào Th2

Kết luận

Kể từ khi được xác định phân tử interleukin lần đầu tiên trong thập niên 70 của thế kỉ trước, chúng ta đã đạt được nhiều thành tựu đáng khích lệ trong việc tìm hiểu vai trò của chúng trong hệ thống miễn dịch, đặc biệt là hệ thống miễn dịch bẩm sinh. Nhờ vậy mà nhiều cơ chế gây bệnh liên quan tới hệ thống miễn dịch đã được hé mở. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề còn bỏ ngỏ, cần được nghiên cứu thêm.

 

PHẦN B: CHEMOKINES

Tổng quan

Khi mô cơ thể bị tổn thương hoặc viêm nhiễm, có nhiều loại tế bào miễn dịch khác nhau được huy động đến đúng vị trí và thực hiện chức năng của chúng. Tuy nhiên, một thực tế rõ ràng là rất nhiều vị trí có thể bị tổn thương, bằng cách nào chúng di chuyển đến đúng nơi và đúng thời điểm (right place and right time)?

Hình 49.19: Các bước đưa một tế bào bạch cầu đến đúng mô đích. Tại vị trí có hiện tượng nhiễm (infection), các macrophages sản xuất cytokine (TNF và IL-1) để hoạt hóa tế bào nội mô để kích hoạt quá trình sản xuất 1) selectins, 2) ligand cho integrins và 3) các chemokines. Các selectins này tạo thành một “đường ray” cho các tế bào bạch cầu lăn trên bề mặt tế bào nội mô, động lực chuyển động phụ thuộc vào chiều của dòng máu (laminar shear stress là tình trạng mà tại đó hình dạng tế bào bị thay đổi do tác động của lực). Các chemokines được sản xuất gần vị trí mô có hiện tượng nhiễm sẽ tham gia vào quá trình hoạt hóa các integrins của tế bào bạch cầu để nó trở thành trạng thái có ái lực liên kết cao. Các integrins được hoạt hóa này gắn kết với các ligand của nó (siêu họ Ig) trên bề mặt tế bào nội mô. Lúc này tế bào bạch cầu sẽ chui (crawl) qua các khớp nối ở giữa các tế bào biểu mô và di cư  xuyên thành tế bào. Cơ chế này thường được sử dụng bởi neutrophil, monocyte và lympho T.

Đây là cả một quá trình phức tạp và được một số lượng lớn các phân tử đảm nhận như sau:

-          Các phân tử kết dính (adhesion):

o   Selectins: Là nhóm các phân tử kết dính liên kết carbohydrate trên màng tế bào (carbohydrate-binding adhesion molecules) có vai trò thực hiện quá trình kết dính ái lực thấp các tế bào bạch cầu vào tế bào nội mô hậu mao mạch. Có 2 loại selectins biểu hiện trên tế bào nội mô là P-selectin (CD62P) do được tìm thấy đầu tiên ở tiểu cầu [dự trữ ở các túi nội bào, được giải phóng nhanh chóng lên bề mặt khi tế bào nhận được tín hiệu từ các phân tử tiết của vi sinh, cytokines, histamine (từ mast cell và thrombin)]  và E-selectin. E-selectin được tổng hợp và biểu hiện lên bề mặt tế bào sau 1-2 giờ (đáp ứng với tác động của interleukin-1, TNF và lipopolysaccharide). Các tế bào bạch cầu hạt, monocyte và các tế bào T nhớ (memory T cells) có các glycoprotein tên là P-selectin glycoprotein ligand 1 (PSGL-1). Các phân tử khác có thể có các ligand cho E-selectin như glycoprotein PSGL-1, E-selectin ligand 1 và một vài phân tử glycolipids. Cầu nối được thực hiện ở đây có bản chất là một tetrasaccharide sialyl Lewis X (sLeX). L-selectin không hiện diện trên bề mặt tế bào nội mô mà lại ở trên bề mặt một số loại tế bào bạch cầu.

Hình 49.20: a) Integrins trên các tế bào bạch cầu bình thường ở trạng thái có ái lực liên kết thấp. Nếu leukocyte đến gần tế bào nội mô (như quá trình chuyển động lăn theo cơ chế mô tả ở trên, nó sẽ được các chemokines hoạt hóa để trở thành trạng thái có ái lực liên kết cao. b) Biểu đồ dạng Ribbon mô tả sự biến đổi cấu hình của Integrins.

o   Integrins: Đây là các protein trên màng tế bào được cấu thành từ các cầu nối không cộng hóa trị của 2 chuỗi polypeptide có vai trò kết dính tế bào này với tế bào khác hoặc với tế bào chất thông qua các tương tác liên kết đặc biệt với  sự tham gia của nhiều loại ligands. Có tới hơn 30 loại integrins khác nhau, chúng có cùng một khung cấu trúc căn bản cấu tạo từ 15 loại chuỗi α và 7 loại chuỗi β. Đầu hướng ra phía ngoại bào có hình cầu, tạo nên một liên kết cộng hóa trị với các cation hóa trị II từ ligand. Đầu nội bào của integrins gắn kết với các thành phần của khung xương tế bào như vinculin, talin, actin, α-actinin và tropomyosin. Tên gọi integrins xuất phát từ ý tưởng chúng có khả năng phối hợp (coordinate) các tín hiệu được sinh ra khi gắn kết với các ligands ngoại bào với các chuyển động phụ thuộc vào khung xương tế bào, thay đổi hình dạng tế bào và các đáp ứng thực bào. Integrins quan trọng nhất là LFA-1 (leukocyte function-associated antigen 1, còn có tên gọi khác là β2α1 hay CD11aCD18) và VLA-4 (very late antigen 4, còn được gọi là β1α4 hay CD49dCD29). Ligand quan trọng của FLA-1 là ICAM-1 (CD54), một glycoprotein có mặt chính trên tế bào nội mô hoạt hóa bởi cytokine (cytokine-activated endothelial cells). Ngoài ra FLA-1 còn gắn kết với ICAM-2 (trên tế bào nội mô), ICAM-3 (ở lymphocyte). Mặt khác, VLA-4 gắn kết với VCAM-1 (CD106, vascular cell adhesion molecule 1) – một siêu họ protein Ig có mặt trên các tế bào nội mô hoạt hóa bởi cytokine ở một số mô, liên kết này là cực kì quan trọng cho việc đưa các tế bào bạch cầu vào vị trí đang có phản ứng viêm.

Bảng 49.1: Các phân tử kết dính leukocyte-Endothelia chính.

o   Chemokines là một họ cytokines có vai trò kích hoạt sự vận động của các tế bào bạch cầu và điều hòa quá trình di cư của chúng từ máu vào các mô. Từ chemokines là sự kết hợp của tên gọi gốc chemotactic cytokine. Thụ thể của chemokines thuộc về siêu họ GPCR – một họ protein đã quá quen thuộc với chúng ta. Ở chương này, chúng ta sẽ cùng nghiên cứu sâu đến cấu trúc, các thành viên chính và vai trò của chúng.

Chemokines

Cấu trúc và danh pháp

Tất cả các thành viên trong họ chemokines đều chỉ có phân tử khối vào khoảng 8-10 kD. Cần phải biết rằng chemokines là protein, không bao gồm các yếu tố của hệ bổ thể cũng có chức năng hóa hướng động như C3a, C5a (bản chất là peptide) cũng như các phân tử lipid khác như leukotriene B4 chẳng hạn.

Bảng 49.2: Bảng danh pháp 4 tiểu họ chemokines được chấp nhận hiện nay.

Do đạt được nhiều tiến bộ trong kĩ thuật sinh học phân tử; như giải trình tự DNA, phân lập và giải tính protein, phương pháp luận dựa sự tương giao (homologues) của các loài động vật có vú được các thành tựu của ngành tin-sinh học (bioinformatics) mô phỏng và tối ưu hóa thành công; người ta đã phát hiện được một số lượng rất lớn các phân tử chemokines trong thời gian gần đây (ở người là 50). Cũng từ việc xác định đượng chemokines có một số lượng thành viên khá lớn, người ta gặp phải không ít khó khăn trong việc hình thành danh pháp cho họ protein này. Tuy nhiên, danh pháp thống nhất dành cho chemokines cũng đã được hình thành. Cơ sở phân định này dựa trên sự hiện diện của cysteine, amino acid quyết định sự gấp nếp của chemokine và cũng đặc thù cho các họ chemokines hiện được biết.

Hình 49.21: Cấu trúc 4 tiểu họ chemokines. Lưu ý thành viên CX3CL1 có thêm một domain có cấu trúc giống mucin, giúp nó có thể gắn vào màng tế bào.

Bảng 49.3: Thụ thể chemokines và các ligand của chúng.

Chemokines có 4 phân tử cysteine để tạo 2 cầu nối disulphide (tuy nhiên vẫn có ngoại lệ). Dựa vào đó, người ta phân cytokines thành 4 tiểu họ dựa vào vị trí của cặp cysteines đầu tiên. Trong đó, họ CC chemokines và CXC chemokines là quan trọng nhất. Thông thường, chemokines có đầu tận N ngắn trước phân tử cysteine đầu tiên, một bộ khung gồm 3 phiến β và một quai nối giữa phân tử cysteine thứ 2 và thứ 4, đầu tận C là một chuỗi xoắn α gồm 20-30 amino acid.

Thụ thể của chemokines

Thụ thể của chemokines hoạt động thông qua siêu họ protein GPCR (một siêu họ protein rất lớn; có trong thụ thể cho nhiều hormones, neurotransmitter, phân tử trung gian gây viêm, các proteinases, phân tử vị giác và thị giác, các kênh Ca2+,…).

Hình 49.22: Các thụ thể chemokines cơ hữu và các chemokines tương ứng.

Hiện đã phát hiện được 19 loại thụ thể của chemokines, nhiều nhất là CCR dành cho tiểu họ CC với 10 thành viên. Các thụ thể này có khoảng 350 amino acid, 7 vòng xoắn α xuyên màng, một đầu tận N ngắn ở ngoại bào và một đầu tận C nội bào chứa amino acid serine/threonine (vị trí phosphoryl hóa xảy ra, nơi tín hiệu truyền đi). Cần lưu ý rằng, đầu tận N và phần ngoại bào của vòng xoắn đầu tiên liên kết với 2 vòng xoắn α đầu tiên có cấu trúc đặc thù cho họ protein chemokines. Các thụ thể của chemokines có tính chất rất đặc biệt, mỗi thụ thể có thể cho vài chemokines gắn kết để sinh đáp ứng cũng như một chemokines có thể gắn kết được với vài thụ thể.  Tuy nhiên vẫn có ngoại lệ, ví dụ CXCR4 chỉ được gắn kết bởi một mình CXCL12. Người ta dành 3 thuật ngữ để mô tả các thụ thể của chemokines là thụ thể chung (share), hỗn tạp (promiscuous) và chuyên biệt (specific).

Khi cơ thể sinh vật ở điều kiện sinh lý, chỉ có một số chemokines được sinh ra, các chemokines đó được gọi là các chemokines cơ hữu (constitutive). Ngược lại, các chemokines được sinh ra trong trường hợp các phản ứng viêm được gọi là các chemokines hậu lập (induced). Trong đó, các thụ thể của các chemokines hậu lập có vai trò quan trọng hơn trong việc đảm bảo sự di cư của các tế bào miễn dịch đến vị trí tác động. Khái niệm cơ hữu và hậu lập là một cặp thuộc tính rất đặc trưng của protein nói chung, đã được trình bày trong chương trước. Người ta cũng xác định được rằng các thụ thể của chemokine do vi sinh vật tổng hợp đóng vai trò trung tâm trong hiện tượng trốn thoát (evation) tế bào miễn dịch của chúng. Cuối cùng, chúng ta cũng không thể không nói đến thụ thể DARC (Duffy antigen receptor for chemokines) có mặt trên bề mặt màng tế bào hồng cầu và tế bào nội mô, nó được tin là có khả năng gắn kết với cả chemokines CXC và CC. 

Hình 49.23: Các thụ thể chemokines hậu lập và các chemokines tương ứng.

Biểu hiện của chemokines và thụ thể

Như ta đã biết, chức năng chính của chemokines là thúc đẩy sự di chuyển của tế bào, chúng phân bố rộng khắp trên bề mặt tế bào nội mô (ở vùng có tổn thương hay phản ứng viêm). Do vậy, các thụ thể của nó cũng biểu hiện chủ yếu trên màng tế bào bạch cầu. Về cơ chế hoạt động, các chemokines sẽ ‘hấp dẫn’ các tế bào có biểu hiện thụ thể của nó trên bề mặt, vậy nên tế bào bạch cầu sẽ di chuyển theo chiều gradients nồng độ của chemokines, từ vùng có nồng độ chemokines thấp đến vùng có nồng độ chemokines cao.

Nhưng thực tế lại cho thấy có nhiều tế bào bạch cầu có thể tự sản sinh ra chemokines. Cơ chế này rất quan trọng. Nhờ nó mà khi một tế bào miễn dịch đến đúng vị trí tác động và tiết ra chemokines, nó sẽ giúp huy động được nhiều tế bào miễn dịch hơn đến đúng vị trí đó. Ngoài ra, thụ thể của chemokines cũng có mặt trên bề mặt nguyên bào sợi và tế bào nội mô, chính điều này giúp các tế bào này có thể di chuyển đến vùng có thương tổn để sửa chữa các mô bị tổn thương.

 

Hình 49.24: a) Cấu trúc 3 loại thụ thể của fibroblast growth factor. b) Lộ trình tín hiệu của tế bào đích sau khi được hoạt hóa.

Lộ trình tín hiệu của chemokine

Lộ trình tín hiệu của các thụ thể chemokine đều qua trung gian GPCR, nhưng có các con đường xuôi dòng khác nhau và rồi hoạt hóa lộ trình Jak/STAT (quan trọng đối với quá trình hóa hướng động và sự vận động của tế bào, đã mô tả ở chương trước), Ca2+/DAG/PKC/NFκB (quan trọng đối với sự vận động của tế bào, sự phân cực và sự kết dính tế bào), MAPK (bao gồm JNK, p38 và ERK, hoạt động thông qua các transcription factor CREB và c-jun, các phân tử hoạt hóa phiên mã rất mạnh).

Chức năng của chemokines

Các chemokines hậu lập có vai trò chủ yếu trong phản ứng viêm, các chemokines cơ hữu lại tồn tại thường trực và có chức năng tổ chức mô.

Hình 49.25: Sự huy tế bào đáp ứng viêm vào các mô khác nhau tùy thuộc vào từng loại chemokines và thụ thể chemokines biểu hiện. Ví dụ, Th1 đóng vai trò trung gian trong bệnh vẩy nến (psoriasis) – một phản ứng viêm da, Th2 đóng vai trò trung gian trong các đáp ứng dị ứng đường hô hấp.

-          Chemokines đóng vai trò quan trọng trong việc ‘chiêu mộ’ tế bào bạch cầu từ mạch máu đến vị trí ngoại bào của tế bào nội mô. Quá trình này bao gồm 1) hiện tượng các tế bào lympho còn non di chuyển đến các hạch lympho thông qua các tiểu tĩnh mạch có cấu trúc nội mô đặc thù (high endothelial venules, tên gọi này xuất phát từ việc các tế bào nội mô ở đây có cấu trúc lớn hơn bình thường ở các vị trí khác). 2) các monocytes và neutrophils đến vị trí tế bào có hiện tượng nhiễm. Vì vậy, ta thấy rằng các chemokines khác nhau hoạt động trên các loại tế bào khác nhau, cùng với các loại phân tử kết dính khác đảm bảo được phản ứng tự nhiên của cơ thể với tình trạng viêm có hay không có thâm nhiễm (infiltrate).

Bảng 49.4: Chemokines và thụ thể của nó trong cơ chế bệnh sinh của một số bệnh ở người & sự loại bỏ khối u. Một số kháng thể đơn dòng được tạo ra để trung hòa CCL11 (eotaxin) sẽ làm giảm phản ứng viêm ở đường hô hấp do làm giảm nồng độ Th2 và eosinophil. Tuy nhiên người ta thấy rằng tác động vào thụ thể của chemokines sẽ có hiệu quả cao hơn. Ví dụ như khóa CCR4 sẽ làm giảm phản ứng viêm dị ứng của đường tiêu hóa do CCL17 và CCL20 không tạo được tác động ‘chiêu mộ’ Th2. Ngoài ra, các đối vận của chemokines có nguồn gốc từ virus cũng đầy triển vọng. Ví dụ, vMIP-II được mã hóa bởi Kaposi’s sarcoma herpes virus HHV8 chẳng hạn, nó là phân tử đối vận hoạt động của CCR1, CCR2 và CCR5 (trường hợp này tác động vào Th1) nhưng lại đồng vận của CCR3 và CCR8 (của Th2).

 

 

Hình 49.26: Mô tả một số con đường lộ trình tín hiệu chính của chemokines.

-          Các chemokines ngoại bào kích hoạt quá trình chuyển động của các tế bào bạch cầu và sự di cư của chúng theo chiều gradient nồng độ của các protein được tiết ra. Quá trình này gọi là chemokinesis. Bằng cách này, các tế bào bạch cầu có thể di chuyển trực tiếp đến tế bào nhiễm trong mô hoặc về tới đúng cơ quan bạch huyết.

-          Chemokines tham gia vào sự phát triển của các cơ quan bạch huyết và chúng cũng điều hòa sự huy động các tế bào bạch cầu khác đến các mô bạch huyết ngoại biên. Ví dụ, CCL19 và CCL21 giúp đưa tế bào T đến vùng vỏ của hạch bạch huyết, CXCL13  giúp tế bào B đến các nang tế bào B (B cell follicles).

Hình 49.27: CCR7 cùng 2 ligand là CCL19 & CCL21. Tế bào T tăng biểu hiện CCR7 sẽ có thể đi đến vùng có chứa CCL19 & CCL21.

-          Chemokines cần thiết cho sự di cư của các tế bào tua gai từ vị trí nhiễm đến nang bạch huyết. Tế bào tua gai đóng vai trò cầu nối quan trọng của hệ miễn dịch bẩm sinh và hệ miễn dịch đáp ứng (thích nghi). Chúng sử dụng nhiều loại thụ thể để nhận diện và đáp ứng với vi khuẩn (microbes) ở mô ngoại biên rồi di cư đến hạch bạch huyết để hình thành nên lympho T trưởng thành. Sự di cư này phụ thuộc vào sự tăng biểu hiện của CCR7 trên bề mặt tế bào tua gai trong đáp ứng nhận diện vi khuẩn. CCR7 cho phép tế bào tua gai đáp ứng với CCL19 và CCL21 (2 chemokines được tạo ra ở hạch bạch huyết). Cần nhớ rằng CCR7 cũng là thụ thể chemokines trên tế bào T còn non. Điều này giải thích tại sao tế bào tua gai và tế bào T còn non tồn tại ở cùng một vị trí trong hạch bạch huyết, giúp tế bào tua gai trình diện kháng nguyên đến tế bào T.

Kết luận

Chemokines là một họ protein có nhiều tính năng quan trọng đối với hệ miễn dịch và có nhiều triển vọng trong việc tìm ra các phương pháp can thiệp để chữa bệnh cho người. Tuy nhiên, chúng được xem như là các protein hướng đa tác động (pleiotropic) với cơ chế hoạt động phức tạp, do vậy sẽ cần nhiều thời gian nữa để chúng ta có thể hiểu được đầy đủ về nó.

 

 

HẾT

 

 

 

Tài liệu tham khảo:

     1.      Abul K. Abbas, Andrew H. Lichtman, Shiv Pillai: Cellular and Molecular immunology 7th, Elsevier Saunders, 2012, 15:89.

2.      Andrew E. Williams: Immunology, mucosal and body surface defences, Wiley-Blackwell, 2012, 20:42.

3.      Ivan M. Roitt, Peter J. Delves: Roitt’s essential immunology 10th, Blackwell Publishing, 2010, 42:130.

4.      John D. Lambris, George Hajishengallis: Current topics in innate immunity II, Springer, 2012, 32:52

5.      Lauren Sompayrac: How the immune system works 4th, Wiley-Blackwell, 2012, 12: 25.

6.      Lucy Bird: Mucosal immunology: IL-22 keeps commensals in their place, nature reviews doi:10.1038/nri3263, 2012.

7.      Mahin Khatami: Inflammation, chronic diseases and cancer cell and molecular biology, immunology and clinical bases, 2012, 23:132.

8.      Robert R. Rich: Clinical immunology – Principles and practice 3rd, Mosby Elsevier, 2008, 62:81.

Và các tài liệu khác trên internet.

 

 

  

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