CÁC LỘ TRÌNH TÍN HIỆU TẾ BÀO CHÍNH

CÁC LỘ TRÌNH TÍN HIỆU TẾ BÀO CHÍNH

Trọng tâm sinh học phân tử tế bào

Nguyễn Phước Long – Phùng Trung Hùng

Đại cương

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

Các lộ trình tín hiệu nội bào

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

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

Các lộ trình được liệt kê sau đây:

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

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

  1. Hệ thống cADP-ribose (cADPR)và nicotinic acid-adenine di nucleotide phosphate (NAADP) có chức năng trong hệ thống truyền tin của calcium thông qua sự đáp ứng của ADP-ribosyl cyclase (ADP-RC).
  2. Voltage-operated channels (VOCs) tham gia vào tín hiệu calcium bằng cách điều khiển dòng calcium nhập bào trong các tế bào dễ bị kích thích (excitable cells).
  3. Receptor-operated channels (ROCs) tham gia vào tín hiệu calcium bằng cách điều khiển dòng calcium nhập bào của cả các tế bào dễ bị kích thích và các tế bào khác (non-excitable).
  4. Hệ hoạt hóa phospholipase C (PLC) để thủy phân PtdIns4,5P2 (hay còn gọi là PIP2) để sinh ra một số các lộ trình tín hiệu sau:
    1. Inositol 1,4,5-trisphosphate (InsP3)/Ca2+
    2. Diacylglycerol (DAG)/protein kinase C (PKC)
    3. PtdIns4,5P2
    4. Hệ thống inositol polyphosphate đa năng (multipurpose).
  5. Hệ PtdIns 3-kinase có chức năng phosphoryl hóa PIP2 thành dạng chất truyền tin thứ hai là PtdIns3,4,5P3 (PIP3).
  6. NO/clyclic GMP: NOS (NO synthase) tạo ra NO hoạt động thông qua hệ thống cGMP và phản ứng nitrosyl hóa. NO đóng vai trò quan trọng trong việc điều biến hoạt động của các hệ thống tín hiệu khác, như của hệ Ca2+ chẳng hạn.
  7. Hệ thống Redox (oxi hóa khử). Rất nhiều thụ thể hoạt động thông qua NADPH oxidase (NOX) để hình thành nên nguyên tử Oxy hoạt hóa (như trong phân tử H2O2 chẳng hạn), có tác dụng điều hòa hoạt động của các loại protein tín hiệu đặc biệt như tyrosine phosphatases, yếu tố phiên mã và các kênh ion. Các nguyên tử Oxy hoạt hóa cũng tham gia trong phản ứng nitrosyl hóa trong hệ thống 7.
  8. Hệ thống MAPK. Nhóm này là ví dụ điển hình của dòng thác phosphoryl hóa các protein bắt đầu đa phần bởi Ras và bao gồm một số lượng các lộ trình tín hiệu song song nhau có vai trò điều khiển nhiều hoạt động của tế bào và liên quan đặc biệt tới sự tăng trưởng của tế bào, sự stress tế bào và apoptosis.
  9. Hệ thống NF-κB có vô số chức năng khác nhau. Nó đóng vai trò quan trọng trong các đáp ứng viêm của macrophages và neutrophils và như là một phần của các đáp ứng miễn dịch bẩm sinh chống lại các pathogen.
  10. Phospholipase D (PLD) là hệ thống tín hiệu phụ thuộc lipid có liên quan đến sự thủy phân của phosphatidylcholine để cho ra phosphatidic acid (PA), chất này đóng vai trò là chất truyền tin thứ hai trong các quá trình điều hòa của tế bào.
  11. Sphingomyelin được thủy phân bởi các yếu tố tăng trưởng (Growth factors) và cytokines để tạo các chất truyền tin thứ hai có các tác dụng đối lập nhau trong tế bào. Ceramide có vẻ như tham gia vào quá trình apoptosis, ngược lại sphingosine 1-phosphate (S1P) hoạt hóa sự tăng trưởng của tế bào. S1P cũng có thể giải phóng Ca2+ từ lưới nội bào chất hoặc đóng vai trò là tác chất có khả năng gắn vào thụ thể khi được giải phóng khỏi tế bào,… do vậy cơ chế hoạt động của nó cũng rất phức tạp.
  12. Janus kinase (JAK)/hoạt hóa tín hiệu và là chất kích thích của con đường phiên mã STAT. Đây là hệ thống truyền tin nhanh từ bề mặt tế bào vào trong nhân. JAKs là những tyrosine kinase có khả năng phosphoryl hóa dòng thác tín hiệu và hoạt hóa các yếu tố phiên mã (STATs).
  13. Hệ thống Smad. Lộ trình tín hiệu này đóng vai trò trung gian trong hoạt động của siêu họ TGF-β trong quá trình phiên mã thông qua các yếu tố phiên mã Smad.
  14. Lộ trình tín hiệu của Wnt có vai trò quan trọng trong cả sự tăng trưởng và phát triển của tế bào.
  15. Lộ trình tín hiệu Hedgehog tương đồng với lộ trình của Wnt và cũng có chức năng điều hòa sự tăng trưởng và phát triển của tế bào. Ligand của Hedgehog (Hh) hoạt động thông qua yếu tố phiên mã GLI.
  16. Notch là một lộ trình tín hiệu có tính bảo tồn cao, có vai trò quan trọng trong các quá trình phát triển liên quan tới việc quyết định số phận của tế bào trong các tế bào gốc. Các thụ thể Notch tạo ra các yếu tố phiên mã NICD (Notch intracellular domain).
  17. Tín hiệu của lưới nội chất trong các quá trình stress có vai trò chuyển thông tin đến nhân về tình trạng tổng hợp protein trong lưới nội chất hạt.
  18. Lộ trình tín hiệu của AMP được điều hòa bởi AMP đóng vai trò như một dạng tín hiệu chuyển hóa, có vai trò hoạt hóa các lộ trình quan trọng trong việc điều khiển sự biệt hóa của tế bào.

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

Lộ trình tín hiệu của cAMP

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

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

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

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

Sự hình thành cAMP

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

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

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

Adenylyl cyclase (AC)

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

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

Các chất tác hiệu thông tin cAMP

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

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

Protein kinase A (PKA)

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

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

–          2 tiểu đơn vị điều hòa (R).

–          2 tiểu đơn vị thủy phân (C).

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *