Tag Archives: growth factor

CÁC LỘ TRÌNH “NGẮT” TÍN HIỆU CHÍNH

CÁC LỘ TRÌNH “NGẮT” TÍN HIỆU CHÍNH

Nguyễn Phước Long – Phùng Trung Hùng

Tổng quan

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

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

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

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

Protein phosphatase

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

Protein tyrosine phosphatase (PTPs)

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

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

Cấu trúc và chức năng

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

Hình 42.1: Tổng quan về siêu họ PTP.

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

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

PTP cổ điển

PTP không xuyên màng

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

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

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

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

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

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

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

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

PTP loại thụ thể (RPTPs)

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

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

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

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

Dual-specificity phosphatase (DSP)

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

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

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

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

  • Sự biểu hiện của Cdc25A được kiểm soát bởi E2F. Khi Cdc25A biểu hiện ở bào tương, nó có khả năng kích hoạt CDK2 (cyclin-dependent kinase 2) để tăng tổng hợp DNA. Hoạt năng của Cdc25A rất nhạy cảm với sự tổn thương của DNA (khi bị tổn thương, DNA kích hoạt CHK1 và CHK2 (checkpoint kinase) để phosphoryl hóa Ser-123, kết quả là dừng nguyên phân do Cdc25A bị ubiquitin hóa và phân giải. CHK1 cũng phosphoryl hóa thr-507 của Cdc25A để nó liên kết với protein 14-3-3 và bị bất hoạt cho đến khi nào tế bào cần nó.
  • Cdc25B đóng vai trò quan trọng đối với quá trình nguyên phân được kiểm soát bởi cyclin B. Phân tử này loại bỏ gốc phosphate của Cdc2 do vậy cần thiết để giúp tế bào đi vào nguyên phân. Cũng giống như các Cdc25B khác, Cdc25B bị ‘bất hoạt’ khi bị phosphoryl hóa ở vị trí Ser-323/tạo vị trí gắn cho protein 14-3-3. Vị trí này được phosphoryl hóa bởi lộ trình của p38 và cung cấp điều kiện cho lộ trình tín hiệu của MAPK làm dừng chu kì tế bào.
  • Cdc25C bị ‘bất hoạt’ khi bị phosphoryl hóa ở Ser-216/tạo vị trí gắn cho protein 14-3-3. Trong quá trình đi vào nguyên phân, phosphate ức chế này được loại bỏ và làm cho Polo-like kinase phosphoryl hóa vị trí khác của vùng điều hòa, cho phép Cdc25C khử gốc phosphate của CDK1-activating kinase.

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

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.