CHƯƠNG XIV SỰ TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ GIAO LƯU THÔNG TIN TẾ BÀO (CELL SIGNALING AND COMMUNICATION) Những năm cuối thế kỷ 20, một lĩnh vực sinh học phân tử tế bào gây ấn tượng mạnh là tín hiệu tế bào (cell signaling) đã phát triển nhanh và sẽ tiếp tục tiến triển trong thế kỉ 21. E.W. Sutherland là người mở đầu cho các nghiên cứu về các thông điệp (messenger) hóa học và tác động của chúng lên các con đường tín hiệu - dịch chuyển (signal-transduction). Ông đã nhận giải Nobel năm 1971 về công trình nghiên cứu này. Sự giao lưu thông tin (communication) ở cấp độ tế bào có ý nghĩa sống còn đối với sự sống. Mối quan hệ tế bào-tế bào đặc biệt quan trọng ở các sinh vật đa bào. Hàng tỷ tế bào của cơ thể người và các động thực vật khác đã truyền thông tin lẫn nhau để thiết lập sự điều phối chính xác và hài hòa cho sự phát triển của cơ thể từ một hợp tử thành các mô, cơ quan khác nhau, hoạt động sống bình thường và sinh sản tạo thế hệ mới. Tín hiệu tế bào cũng không kém phần quan trọng đối với các vi sinh vật đơn bào, cả sinh vật nhân sơ Prokaryotae lẫn nhân chuẩn Eukaryotae, nhất là khi chúng bắt cặp (mating) trong sinh sản hữu tính. Một trong những chức năng quan trọng của màng tế bào là tiếp nhận thông tin nhờ các cơ chế tinh vi, chính xác mà nhiều vấn đề còn chưa rõ. I. KHÁI QUÁT VỀ TRUYỀN TÍN HIỆU TẾ BÀO 1. Tín hiệu tế bào xuất hiện rất sớm trong tiến hoá Ở vi khuẩn Escherichia coli (E. coli), các thụ thể (receptor) bề mặt tế bào của các con đường tín hiệu (signaling pathways) giúp tế bào đáp ứng với sự thay đổi nồng độ phosphate bên ngoài và các chất dinh dưỡng khác. Trong hiện tượng giao nạp hay tiếp hợp (conjugation), hai tế bào E. coli khác nhau (F – và F + hoặc Hfr) nhờ các tín hiệu mới có thể gặp nhau để trao đổi thông tin di truyền. Các vi sinh vật nhân chuẩn đơn bào (nấm men, nấm mốc) tiết ra pheromon (chất dẫn dụ) để phối hợp các tế bào tham gia vào quá trình sinh sản hoặc biệt hoá ở điều kiện môi trường nào đó. Nấm men Saccharomyces cerevisiae có tế bào gồm 2 kiểu bắt cặp (mating type) là a và α, mà sự kết hợp của 2 loại tế bào này tạo hợp tử lưỡng bội (2n NST) dẫn đến giảm phân tạo giao tử đơn bội (n) cho sinh sản hữu tính.Các yếu tố bắt cặp ở nấm men S. cerevisiae chính là một kiểu phát tín hiệu nhờ pheromon giữa các tế bào. Như vậy, các sự truyền tín hiệu và thông tin của tế bào đã xuất hiện rất sớm, cách nay nhiều tỷ năm trong tiến hóa của sinh giới. Điều này khẳng định thêm tầm quan trọng sống còn của các cơ chế tinh vi và rất phức tạp này. 2. Ba chiến lược truyền thông tin theo khoảng cách ở sinh vật đa bào Sự truyền thông tin đặc biệt quan trọng và rất phức tạp ở các sinh vật đa bào. Chương trình phát triển cá thể ở các sinh vật này được thực hiện một cách hoàn hảo và chính xác cả trong không gian lẫn thời gian (đúng nơi, đúng lúc) một phần quan trọng là nhờ thông tin nội bào và giữa các tế bào. Ở động vật, các phân tử thông tin ngoại bào thực hiện mối quan hệ giữa các tế bào là những chất trung gian gồm 3 loại chủ yếu theo khoảng cách tác động : nội tiết (endocrine), cận tiết (paracrine) và tự tiết (autocrine). – Sự truyền tín hiệu nội tiết: do chất nội tiết tác động xa từ những tuyến chuyên biệt tiết ra như các hormone vào dòng máu hoặc dịch ngoại bào tác động đến các tế bào đích khác nhau phân tán trong cơ thể. Hơn nữa, một số protein màng tác động như các tín hiệu. – Sự truyền cận tiết: do chất cận tiết tác động đến các tế bào kế cận (xung quanh khoảng 1mm) bằng các chất thông điệp hóa học cục bộ (local chemical messagers). Sự vận chuyển chất dẫn truyền thần kinh từ neuron tới neuron (truyền qua sinap (synaptic transmission) là điểm tiếp xúc giữa các tế bào thần kinh.), từ neuron tới tế bào cơ (cảm ứng hoặc ức chế co cơ) xảy ra qua sự phát 1 tín hiệu cận tiết. Nhiều yếu tố tăng trưởng điều hoà sự phát triển ở sinh vật đa bào cũng tác động ở phạm vi gần. Một số chúng gắn kết chặt chẽ với chất nền (matrix) ngoại bào, không thành tín hiệu, nhưng sau đó có thể được phóng thích ở dạng có hoạt tính. Nhiều tín hiệu quan trọng cho sự phát triển khuếch tán khỏi tế bào tín hiệu, tạo thang (gradient) nồng độ và gây ra các phản ứng đáp trả khác nhau tuỳ vào nồng độ của chúng ở tế bào đích. – Sự truyền tín hiệu tự tiết: Trong sự phát tín hiệu tự tiết, tế bào đáp ứng với chất do chúng tiết ra gọi là chất tự tiết. Một số yếu tố tăng trưởng tác động theo kiểu này và các tế bào nuôi cấy thường tiết ra các yếu tố tăng trưởng để kích thích sự tăng sinh và phát triển của chúng. Kiểu phát tín hiệu này rất phổ biến ở tế bào khối u, các tế bào này sản xuất thừa và phóng thích các yếu tố tăng trưởng để kích thích sự tăng sinh không tương xứng, không kiểm soát của chính chúng cũng như các tế bào lành lân cận; quá trình này tạo thành khối u. Các phân tử tín hiệu là các protein xen màng (integral membrane proteins) trên bề mặt tế bào cũng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển. Trong vài trường hợp, các tín hiệu này trên màng của một tế bào gắn với các thụ thể (receptor) bề măt của tế bào đích lân cận gây biệt hoá chúng. Ở các trường hợp khác, sự phân cắt protein tín hiệu xen-màng phóng thích vùng ngoại sinh chất để nó làm chức năng như là protein tín hiệu hoà tan. Một số phân tử tín hiệu có thể tác động cả biên độ ngắn và dài. Chẳng hạn, epinephrine hoạt động như chất truyền thần kinh (tín hiệu cận tiết) và như hormone cơ thể (tín hiệu nội tiết). Ví dụ khác là yếu tố tăng trưởng biểu bì EGF (epidermal growth factor) được tổng hợp như protein xen màng sinh chất. EGF xen màng có thể gắn và phát tín hiệu tới tế bào lân cận nhờ tiếp xúc trực tiếp. Sự phân cắt nhờ protease ngoại bào sẽ phóng thích EGF dạng tan, mà nó có thể tạo tín hiệu theo cơ chế cận tiết hoặc tự tiết. Trong mỗi trường hợp, tế bào tiêu điểm đáp lại các tín hiệu ngoại bào đặc hiệu nhờ những protein chuyên biệt gọi là các thụ thể (receptors) gắn với phân tử thông tin và có phản ứng đáp lại. Nhiều tín hiệu hóa học tác động với những nồng độ rất thấp. Những tế bào khác nhau có thể phản ứng không giống nhau đáp lại cùng một tín hiệu thông tin. Ví dụ, acetylcholin kích thích sự co cơ xương, nhưng nó làm giảm nhịp và lực co cơ tim. Các nghiên cứu gần đây làm sáng tỏ nhiều chi tiết của các tín hiệu và thông tin của tế bào và các mối quan hệ phức tạp trong điều hòa hoạt động nội bào cũng như tiếp nhận thông tin ngoại bào. 3. Các giai đoạn của sự truyền tín hiệu : thu nhận, chuyển đổi và đáp trả Nhóm của Sutherland đã nghiên cứu phương thức hormone động vật epinephrine kích thích sự phân hủy glycogen dự trữ trong gan và cơ. Họ phát hiện ra rằng epinephrine kích thích sự phân hủy glycogen bằng cách nào đó hoạt hóa glycogen phosphorylase, một enzyme tế bào chất. Tuy nhiên, thí nghiệm in vitro cho thấy khi thêm epinephrine vào ống nghiệm chứa hổn hợp enzyme phosphorylase và cơ chất glycogen của chúng thì sự phân hủy glycogen không xảy ra. Epinephrine chỉ có thể hoạt hóa glycogen phosphorylase khi hormone bổ sung vào dung dịch chứa các tế bào nguyên trạng (intact cells). Kết quả cho thấy hai điều : thứ nhất, epinephrine không tác động trực tiếp lên enzyme phân hủy glycogen; một hoặc hàng loạt bước trung gian diễn ra bên trong tế bào; thứ hai, màng sinh chất bằng cách nào đó thực hiện việc chuyển tín hiệu epinephrine. Ngay thời gian đầu, ông cho rằng quá trình có thể chia làm 3 giai đoạn. Ngày nay, quá trình được mô tả trên sơ đồ đơn giản hóa như sau (hình 14.1). 2 1. Thu nhận 2. Dịch chuyển 3. Đáp trả Phân tử tín hiệu ngoại bào Các enzyme Các protein Các protein trao đổi chất điều hòa gen khung sườn Thay đổi Thay đổi Thay đổi trao đổi chất biểu hiện gen hình dạng hay vận động Màng sinh chất tế bào mục tiêu Các protein hiệu ứng (Effector protein) Hình 1. Sơ đồ đơn giản nêu khái quát về quá trình truyền tín hiệu tế bào 1) Thu nhận: khi các tế bào mục tiêu phát hiện tín hiệu (signals) đến từ bên ngoài. Tín hiệu hóa học coi như “được phát hiện” khi nó gắn vào protein tế bào, mà thường là trên bề mặt. 2) Dịch chuyển. Sự gắn phân tử tín hiệu làm thay đổi protein thụ thể bằng vài cách, do vậy quá trình dịch chuyển bắt đầu. (Transduction có nghĩa là phiên dịch, do vậy có nghĩa không đơn giản chuyển tiếp mà gây ra nhiều biến đổi phức tạp phía sau). Giai đoạn dịch chuyển biến tín hiệu thành dạng tạo ra phản ứng đặc hiệu của tế bào. Theo hệ thống của Sutherland, sự gắn epinephrine vào bên ngoài của thụ thể protein ở màng sinh chất tế bào gan dẫn đến qua hàng loạt bước hoạt hóa enzyme glycogen phosphorylase. Sự dịch chuyển đôi khi diễn ra một bước, nhưng thường đòi hỏi nhiều bước của nhiều phân tử khác nhau theo con đường tín hiệu-dịch chuyển. Các phân tử trong con đường này thường được gọi là các phân tử truyền xung (rờ-le hay “cầu nối” - relay molecules). 3) Đáp trả : Ở giai đoạn thứ ba, các tín hiệu đã dịch chuyển cuối cùng kích hoạt phản ứng đặc hiệu của tế bào. Phản ứng có thể là bất kỳ hoạt tính nào rất đa dạng của tế bào như xúc tác bởi enzyme làm thay đổi tao đổi chất, tái cấu trúc khung sườn tế bào làm thay đổi hình dạng hay sự vận động của tế bào, hoặc hoạt hóa các gen đặc hiệu trong nhân. Quá trình tế bào-truyền tín hiệu đảm bảo cho các hoạt tính cốt lõi diễn ra trong đúng tế bào, đúng thời điểm và sự phối hợp hài hòa với các tế bào khác nhau của cơ thể. Gần đây, sự giao lưu thông tin nhờ tín hiệu ngoại bào thường được chia ra chi tiết hơn gồm các bước: (1) tổng hợp và (2) phóng thích tín hiệu bởi tế bào tín hiệu; (3) vận chuyển tín hiệu tới tế bào đích; (4) gắn kết tín hiệu bởi receptor protein đặc hiệu dẫn đến hoạt hóa chúng; (5) khởi sự một hoặc nhiều con đường chuyển tín hiệu nội bào nhờ receptor được kích hoạt (6) những thay đổi đặc trưng trong chức năng, biến dưỡng hoặc sự phát triển của tế bào (7) loại bỏ tín hiệu, thường kết thúc phản ứng đáp lại của tế bào. Đại đa số thụ thể được hoạt hoá nhờ liên kết với phân tử gắn trên màng hoặc tiết ra ngoài (như các hormone, yếu tố tăng trưởng, chất dẫn truyền thần kinh và pheromon). Tuy nhiên, một số receptor được hoạt hoá nhờ thay đổi nồng độ chất biến dưỡng (như oxy, chất dinh dưỡng) hay kích 3 Protein thụ thể Các protein tín hiệu nội bào thích vật lý (như ánh sáng, va chạm, nhiệt). Ở E. coli, các receptor trên bề mặt màng sinh chất tế bào kích hoạt các con đường tín hiệu giúp tế bào đáp lại với những thay đổi mức phosphate bên ngoài và các chất dinh dưỡng khác. 4. Sự phụ thuộc của các tế bào động vật vào nhiều phân tử tín hiệu nội bào Hình 14.2. Các tín hiệu nội bào tác động đến các quá trình sống căn bản ở tế bào động vật Mỗi kiểu tế bào phô bày ra một loạt các receptor cho phép nó đáp trả đến một loạt tương ứng các phân tử tín hiệu tạo ra bởi các tế bào khác. Các phân tử tín hiệu đó hoạt động trong các tổ hợp để điều hòa hành vi của tế bào (hình 14.2). Như nêu ở đây, một tế bào riêng lẻ thường đòi hỏi nhiều tín hiệu để sống còn, tăng trưởng và phân bào hoặc biệt hóa. Nếu mất đi các tín hiệu sống còn thích hợp, tế bào sẽ phải tự tử được biết như là apoptosis (sự chết tế bào theo chương trình). II. CÁC TÍN HIỆU VÀ LIGAND 1. Các tín hiệu Các phân tử tín hiệu (Signals) ngoại bào điều hoà tương tác giữa các sinh vật đơn bào và cũng là các chất điều hoà chủ chốt của các quá trình sinh lý và phát triển ở sinh vật đa bào. Cả các tế bào nhân sơ và nhân chuẩn đều phải xử lý thông tin từ môi trường ngoài và đáp trả một cách thích hợp. Các tín hiệu ngoại bào bao gồm các protein-neo màng và tiết (membrane-anchored and secreted proteins), các peptide, các phân tử nhỏ kỵ nước (như các hormone steroid, thyroxine), các phân tử nhỏ ưa nước dẫn xuất từ các amino acid (như epinephrine), các khí (nitric oxide - NO), và kích thích vật lý (ánh sáng). Sự gắn kết giữa phân tử tín hiệu ngoại bào vào các thụ thể bề mặt kích hoạt các con đường dịch chuyển tín hiệu nội bào, mà cuối cùng điều biến chức năng, sự biến dưỡng hay biểu hiện gen của tế bào. Các tế bào luôn ở tư thế sẵn sàng phiên dịch các tín hiệu (interpret signals) và không phải tất cả các tế bào có thể phiên dịch tất cả tín hiệu. 4 Sự sống sót Tăng trưởng + Phân bào Chết theo chương trình (Apoptosis) Chết Biệt hóa Để phiên dịch tín hiệu, tế bào phải có protein thụ thể thích hợp. Các sinh vật thu nhận rất nhiều tín hiệu từ môi trường như ánh sáng, mùi, vị, nhiệt độ, sự chạm, và âm thanh. Các tế bào bên trong của sinh vật đa bào tiếp xúc với các dịch ngọai bào, với các tế bào khác và nhận thông tin từ chúng Các tín hiệu từ một tế bào có thể tác động lên nhiều tế bào lân cận (cận tiết), tế bào ở xa (nội tiết) hay tác động lên chính nó (tự tiết). Một số nhỏ trong nhiều kiểu tín hiệu của tế bào động vật là các hormone, neurotransmitter (chất dẫn truyền thần kinh), thông điệp hóa học (chemical messages) từ hệ miễn dịch, CO 2 , và H + . Ở động vật lớn, các tín hiệu đạt đến mục tiêu thông qua sự khuếch tán như các tín hiệu tự tiết hay cận tiết khi mục tiêu ở gần. Các tín hiệu tự tiết là những tín hiệu được tạo ra bởi chính các tế bào mà nó tác động. Các tín hiệu cận tiết khuyếch tán đến các tế bào lân cận và tác động đến chúng (hình 14.3). Khi mục tiêu ở xa, các tín hiệu được chuyển đi trong máu nhờ dòng tuần hoàn (hình 14.4). Tế bào nội tiết Receptor – mục tiêu Hình 14.3. Sự truyền tín hiệu cận tiết Hình 14.4. Các tín hiệu nội tiết theo dòng máu đi xa Các phân tử tín hiệu ưa nước và kỵ nước. Các phân tử tín hiệu có thể phân loại theo khả năng tan trong nước. Đa phần các phân tử thông tin tan trong nước, chúng gắn với những thụ thể trên bề mặt tế bào. Những phân tử tín hiệu kỵ nước như các hormone tuyến giáp và steroid không tan trong nước, nhưng nhờ gắn với các protein tải đặc hiệu chúng tan trong máu và được chuyển đi xa. Các hormone này tan trong lipid, khi được các protein tải phóng thích, chúng dễ dàng ngấm qua màng của tế bào tiêu điểm. Có sự khác nhau về thời gian tồn tại của các phân tử thông tin tan trong nước và tan trong lipid. Các phân tử tín hiệu tan trong nước khi được phóng thích vào máu chỉ tồn tại vài phút, số khác vài giây hay miligiây ngay khi xâm nhập vào khoảng giữa màng tế bào. Các hormone steroid tồn tại nhiều giờ và các hormone tuyến giáp trong nhiều ngày. Tương ứng các phân tử tín hiệu tan trong nước gây phản ứng ngắn hạn, còn các phân tử tín hiệu tan trong lipid có phản ứng lâu dài hơn nhiều. Phản ứng đáp lại tối đa của tế bào với ligand đặc biệt nói chung xảy ra ở các nồng độ ligand khi hầu hết các receptor vẫn chưa bị choán chỗ. 2. Các ligand Ligand (phối tử) là phân tử tín hiệu gắn vào thụ thể. Các receptor gắn các ligand với tính đặc hiệu đáng kể, mà được xác định nhờ tương tác không đồng hoá trị giữa ligand và amino acid đặc trưng của protein thụ thể. Sự gắn ligand làm cho thụ thể biến dạng. Ligand không tiếp tục tham gia vào con đường này. Các receptor gắn ligand theo quy luật tác động khối (law of mass action), và do vậy sự gắn là thuận nghịch. Nồng độ ligand làm phân nửa các receptor bị choán chỗ đã gắn kết với ligand, Kd, được xác định bằng thực nghiệm và biểu thị ái lực của ligand với receptor. Các tác nhân ức chế có thể gắn vào các chỗ gắn ligand trên các phân tử receptor. Các chất ức chế (inhibitor) tự nhiên và nhân tạo rất quan trọng trong y học. Có hai lớp (classes) các phân tử tín hiệu (hình 14.5) : Ngoài tế bào Tín hiệu không phân cực Receptor xuyên màng Tín hiệu phân cực 5 Tế bào tín hiệu Mục tiêu Chất trung gian Dòng máu Hình 14.5. Hai loại ligand cho hai kiểu receptor  Các ligand với các thụ thể tế bào chất (cytoplasmic receptors): các phân tử nhỏ và/hoặc không phân cực có thể xuyên qua màng sinh chất , như các steroid.  Các ligand với các thụ thể màng sinh chất: các phân tử lớn hoặc phân cực không thể xuyên màng sinh chất, như insulin. Các receptor thường là protein xuyên màng. 3. Các thông điệp thứ cấp mang các tín hiệu từ nhiều thụ thể Sự liên kết cuả ligand (thông điệp sơ cấp) với nhiều thụ thể bề mặt tế bào dẫn đến sự gia tăng ngắn hạng (hoặc giảm) trong nồng độ của một số các phân tử tín hiệu nội bào có trọng lượng thấp, gọi là thông điệp thứ cấp (second messengers). Các phân tử này gồm 3’,5’-cAMP vòng (cyclic AMP); 3’,5’-cGMP vòng; 1,2-diacylglycerol (DAG) và inositol 1,4,5-triphosphate (IP3). Các thông điệp thứ cấp quan trọng khác là Ca 2+ và nhiều inositol phospholipid, còn gọi là phosphoinositide, được khảm trên màng tế bào. Nồng độ nội bào tăng cao của một hay nhiều thông điệp thứ cấp tiếp theo sự gắn với tín hiệu ngoại bào sẽ kích hoạt sự thay đổi nhanh chóng trong hoạt tính của một hoặc nhiều enzyme hay protein không enzyme. Ở cơ, sự tăng cảm ứng tín hiệu trong Ca 2+ bào tương làm co cơ; sự gia tăng tương tự trong Ca 2+ gây cảm ứng xuất bào của các túi tiết (exocytosis of secretory vesicles) trong các tế bào nội tiết và chất dẫn truyền thần kinh trong túi tiết ở tế bào thần kinh. Tương tự, nồng độ cAMP tăng cũng cảm ứng các thay đổi khác nhau trong biến dưỡng tế bào, mà chúng khác nhau ở các kiểu khác nhau của tế bào người. Ion Ca 2+ và các phosphoinositide cũng tác động như thông điệp thứ cấp. Phương thức tác động của cAMP và các thông điệp thứ cấp quan trọng khác sẽ nêu sau. III. CÁC THỤ THỂ (RECEPTORS) Thụ thể (receptor) là một protein xuyên màng có khả năng liên kết với một ligand tại một domain ở phía ngoài tế bào, từ đó làm thay đổi hoạt tính của domain tế bào chất. Tế bào đáp lại chỉ một ít trong nhiều tín hiệu mà chúng nhận được. Kiểu các tín hiệu mà tế bào sản sinh ra được xác định di truyền. Các thụ thể có các điểm gắn đặc hiệu cho các tín hiệu của chúng, như ví dụ hormone tăng trưởng sau đây (hình 14.6). 6 Tín hiệu (hormone tăng trưởng) Màng sinh chất Thụ thể Bên trong tế bào Hình 14.6. Tín hiệu gắn vào các điểm đặc hiệu trên receptor của chúng 1. Các kiểu receptor xuyên màng chủ yếu Có bảy kiểu receptor xuyên màng chủ yếu (bảng 14.1), gồm : 1) receptor gắn kết-protein G (GPCRs - G protein–coupled receptors), 2) receptor cytokine, 3) RTK (receptor tyrosine kinase), 4) receptor TGF (transforming growth factor – nhân tố tăng trưởng chuyển hóa), 5) receptor Hedgehog, 6) receptor Wnt và receptor Notch (hình 14.7 và bảng 14.1). Một số protein kênh ion tác động như những “cổng” (“gates”) là các thụ thể tín hiệu. 1 2 3 4 5 6 7 Các receptor : GPCR cytokine RTK TGF Hedgehog Wnt Notch Hình 14.7. Bảy kiểu receptor xuyên màng chủ yếu (đánh số 1 – 7 và giải thích trên bảng 14.1). Bảng 14.1. Tác động của bảy kiểu receptor xuyên màng chủ yếu (hình 14.5). Tên receptor Thựchiện phản ứng Ví dụ về tác động 1. Receptor gắn-protein G Găn vào protein G tam phân kiểm soát hoạt tính của protein effector (adenylyl cyclase) Hoạt hóa các nhân tố phiên mã bào tương và nhân tế bào qua vài con đường (ở đây là tác động kinase potein A) 2. Receptor cytokine Kết hợp với các kinase JAK bào tương Hoạt hóa các nhân tố phiên mã STAT bằng phosphoryl hóa 3.RTK- Receptor kinase tyrosine Domain bào tương với hoạt tính kinase tyrosine Hoạt hóa các kinase bào tương (kinase MAP) chuyển vào nhân và hoạt hóa các nhân tố phiên mã nhân nhờ phosphoryl hóa 4. Receptor TGFβ Domain bào tương với hoạt tính kinase serine/threonine Hoạt hóa các nhân tố phiên mã Smad trong bào tương nhờ phosphoryl hóa 5. Receptor Hedgehog (Hh) Ligand Hh cột vào màng của tế bào tín hiệu bằng neo (anchor) cholesterol Kiểm soát quá trình chế biến nhân tố phiên mã; sự gắn Hh làm phóng thích khỏi phức hợp bào tương 6. Receptor Wnt Ligand Wnt được palmitoyl hóa (palmitoylated) gắn vào phức hợp receptor 7 protein xuyên màng Phóng thích nhân tố phiên mã đã hoạt hóa từ phức hợp đa protein trong bào tương 7. Receptor Notch Ligand, Delta, là protein xuyên màng trên tế bào tín hiệu Domain bào tương của Notch được phóng thích bởi sự phân hủy protein tác động kết hợp với các nhân tố phiên mã nhân 7 Thụ thể (hai tiểu phần) Mặt ngoài màng sinh chất Nhân Ngoài tế bào Ba kiểu receptor nghiên cứu tốt ở sinh vật nhân chuẩn phức tạp:  Các thụ thể gắn G-protein (G protein-linked receptors).  Các kinase protein (Protein kinases) : receptor cytokine và receptor tyrosine  Các thụ thể kênh ion (Ion channel receptors) 2. Các receptor hoạt hoá một số lượng giới hạn các con đường tín hiệu Số lượng receptor và các con đường tín hiệu được nêu ra dường như quá lớn. Chúng được đặt tên theo các nhóm receptor có liên quan (như GPCRs, receptor tyrosine kinase), kiểu ligand (như TGFβ, Wnt, Hedgehog) hoặc các cấu phần chuyển dịch tín hiệu nội bào chủ chốt. Nhờ đó giúp chúng ta hiểu được sự phong phú của nguồn thông tin mới liên quan đến tín hiệu tế bào-tế bào. Tín hiệu bên ngài tác động với các đặc điểm sau : - Các tín hiệu bên ngoài cảm ứng 2 kiểu đáp lại của tế bào (hình 14.8): (1) Thay đổi hoạt tính hoặc chức năng của các protein đặc hiệu tồn tại trước đó (2) Thay đổi số lượng protein đặc hiệu do tế bào sinh ra, chủ yếu là do thay đổi các yếu tố phiên mã làm hoạt hoá hoặc ức chế quá trình này. Nói chung, kiểu đáp ứng 1 xảy ra nhanh hơn kiểu 2. Sự phát tín hiệu từ các receptor gắn kết- protein G (GPCRs - G protein–coupled receptors) thường làm thay đổi hoạt tính protein có sẵn trước đó, mặc dù hoạt hoá các receptor này ở một số tế bào có thể lại làm thay đổi trong biểu hiện gen. - Các nhóm thụ thể khác khác, trong số 7 nhóm chủ yếu, vận hành trước tiên điều biến sự biểu hiện gen. Ở một số trường hợp, receptor đã hoạt hóa trực tiếp yếu tố phiên mã trong bào tương (cytosol) (như TGFβ và con đường cytokine thụ thể) hoặc lắp ráp phức hợp tín hiệu nội bào để hoạt hoá yếu tố phiên mã trong bào tương (như con đường Wnt). Ở con đường khác, sự phân cắt protein của thụ thể màng tế bào được hoạt hóa hoặc protein bào tương sẽ phóng thích yếu tố phiên mã (như Hedgehog, Notch và con đường NK-kB). Các yếu tố phiên mã được hoạt hoá bằng con đường này sẽ vào nhân, rồi kích thích (hoặc ngẫu nhiên ức chế) phiên mã các gen đích đặc hiệu. Sự truyền tín hiệu từ các receptor tyrosine kinase làm hoạt hoá vài protein kinase trong bào tương, mà các protein này đi vào nhân và điều hoà hoạt tính của các yếu tố phiên mã trong nhân. Phân tử tín hiệu ngoại bào Tác động nhanh (giây đến phút) Hành vi tế bào thay đổi Tác động chậm (nhiều phút đến nhiều giờ) Hình 14.8. Hai kiểu tác động của các phân tử tín hiệu ngoại bào 8 Thụ thể bề mặt tế bào Nhân Chức năng protein thay đổi Tổng hợp protein thay đổi Bộ máy tế bào chất thay đổi Con đường tín hiệu nội bào - Một số nhóm receptor có thể chuyển tín hiệu qua nhiều nhiều hơn một con đường tín hiệu nội bào, gây nên các đáp lại khác nhau của tế bào. Sự phức tạp này là điển hình ở các receptor gắn kết-protein G, receptor tyrosine kinase (RTK), receptor cytokine. - Mặc dù có rất nhiều loại ligand và receptor đặc hiệu khác nhau, nhưng có tương đối ít các cơ chế dịch chuyển tín hiệu và các protein nội bào được bảo tồn cao trong tiến hóa đóng vai trò quan trọng trong các con đường tín hiệu nội bào. Nhiều tiến bộ đã đạt được trong những năm gần đây, như có thể vạch ra toàn bộ con đường tín hiệu từ liên kết ligand với receptor ở vài nhóm cho tới sự đáp lại cuối cùng của tế bào. 3. Các thụ thể gắn G-protein (G protein-linked receptors) Trước tiên sẽ tập trung vào nhóm rất lớn các thụ thể bề mặt hoạt hoá protein G tam phân (trimeric G). Chúng được gọi là các receptor gắn kết protein G (GPCRs), có ở mọi tế bào nhân chuẩn từ nấm men tới người. Bộ gen người, mã hoá cho vài ngàn GPCR. Chúng bao gồm các receptor tham gia hệ thị giác, khướu giác (olfactory -smell)), vị giác (gustatory - taste); thụ thể của nhiều chất dẫn truyền thần kinh và phần lớn các thụ thể cho các hormone kiểm soát quá trình biến dưỡng carbohydrate, amino acid và chất béo. a. Cấu trúc phân tử và sự tương tác của GPCR Tất cả các thụ thể GPCR đều chứa 7 domain xuyên màng, với đoạn đầu N trên mặt ngoài màng tế bào, đoạn đầu C nằm trong bào tương của màng sinh chất. Do vậy, chúng được gọi là các thụ thể gắn protein G bảy-trải rộng (seven-spanning G protein-linked receptors) là những protein với bảy vùng xuyên qua lớp lipid đôi (hình 14.9). Hình 14.9. Sơ đồ cấu trúc chung của receptor gắn kết-protein G. Tất cả receptor loại này đều định hướng giống nhau trên màng và chứa 7 domain xoắn α xuyên màng (H1-H7), 4 phân đoạn ngoại bào (E1-E4), 4 phân đoạn bào tương (C1-C4). Đoạn đầu-carboxyl (C4), vòng C3, ở vài receptor, còn có vòng C2 cũng tương tác với protein G tam phân gắn kết. Tín hiệu Thụ thể Protein G Protein effector Protein G hoạt hóa protein G bất hoạt bất hoạt Hình 14.10 a và b. Các thụ thể gắn-protein G làm biến dạng protein ở phía tế bào chất Ligand gắn vào phía ngoài tế bào và làm biến dạng protein ở phía tế bào chất (hình 14.10a và b). Điều này làm nhô điểm gắn (binding site) cho protein G. Protein G cũng có điểm gắn cho 9 Ngoài tế bào Trong tế bào a b Mặt ngoài Bào tương Bào tương Màng sinh chất Khoảng ngoài tế bào GTP. Tiểu phần gắn GTP (GTP-bound subunit) tách ra và di chuyển dọc theo màng cho đến khi tìm gặp protein hiệu ứng (effector protein). Protein hiệu ứng có thể xúc tác nhiều phản ứng, khuếch đại tín hiệu (hình 14.10). Protein G dịch chuyển tín hiệu chứa 3 tiểu phần α, β, và γ. Trong quá trình chuyển tín hiệu nội bào, các tiểu phần β và γ gắn chung với nhau và thường được coi là tiểu phần Gβγ. Gα là protein công tắc (switch). αGTPase chuyển đổi qua lại giữa trạng thái hoạt động (mở - on) khi gắn kết với GTP và trạng thái bất hoạt (đóng - off) khi gắn với GDP (hình 14.10). Kích thích receptor gắn kết làm hoạt hoá protein G, khi đó protein G sẽ điều biến hoạt tính của protein hiệu ứng (protein tác động hay gây hiệu ứng). Mặc dù effector protein hầu như được Gα.GTP hoạt hóa, nhưng trong vài trường hợp nó bị ức chế. Hơn thế nữa, phụ thuộc vào tế bào và ligand, tiểu phần Gβγ, thay vì Gα.GTP, có thể truyền tín hiệu tới protein hiệu ứng. Thêm vào đó, hoạt tính của vài protein hiệu ứng khác nhau bị các phức hợp GPCR-ligand kiểm soát. Tuy nhiên, tất cả protein hiệu ứng đều là các kênh ion gắn màng hay các enzyme xúc tác sự hình thành thông điệp thứ cấp (như cAMP, DAG và IP 3 ). Các dao động này trong quá trình chuyển tín hiệu nhờ GPCR gia tăng là vì các protein G đa phức (multiple G proteins) được mã hóa trong các bộ gen sinh vật nhân chuẩn. Ví dụ, bộ gen người mã hóa 27 tiểu phần Gα, 5 Gβ và 13 Gγ khác nhau. Cho đến nay biết được, các tiểu phần G có chức năng tương tự nhau. Khuếch đại Hình 14.11. Protein G kích hoạt effector protein xúc tác nhiều phản ứng, khuếch đại tín hiệu Các protein G có thể hoạt hóa hoặc ức chế các effector. Epinephrine minh họa cho cả hai khả năng đó. Ở tim, epinephrine làm cho protein G hoạt hóa enzyme tạo cAMP, chất có tầm hiệu quả rộng lên tế bào. Ở các tế bào cơ trơn quanh các mạch máu, epinephrine làm cho protein G ức chế sản sinh cAMP, các cơ giãn ra, và mạch máu mở rộng cho dòng máu tối đa. Ở động vật có vú protein G tam phân có nhiều lớp lớn và các effector của chúng. b. Các protein GTPase công tắc Một nhóm lớn các protein công tắc nội bào (intracellular swich proteins) hình thành nên siêu họ GTPase. Đây là các protein gắn với nucleotide guanine, được “mở” khi gắn kết với GTP và “tắt” khi gắn với GDP. Sự chuyển đổi do cảm ứng tín hiệu (Signal-induced conversion) của trạng thái từ bất hoạt sang hoạt động là nhờ nhân tố chuyển đổi guanine GEF (Guanine nucleotide– exchange factor) làm phóng thích GDP từ protein công tắc. Sự gắn GTP tiếp theo, được thuận lợi nhờ nồng độ nội bào cao, gây cảm ứng thay đổi cấu hình 2 đoạn của protein, gọi là công tắc I và II, cho phép protein gắn kết và hoạt hóa các protein tín hiệu khác phía sau. Hoạt tính GTPase nội tại của protein công tắc sẽ thuỷ phân GTP thành GDP và Pi, do vậy chuyển cấu hình công tắc I và II từ dạng hoạt động trở về dạng bất hoạt. Tốc độ thuỷ phân GTP 10 Protein effector Chất phản ứng Sản phẩm [...]... các phân tử tín hiệu kiểu đó Bên ngoài tế bào Trong tế bào Thụ thể corticoid Protein chaperone Nhân Hình 14.15 Thụ thể tế bào chất IV SỰ DỊCH CHUYỂN TÍN HIỆU 13 Toàn bộ quá trình tín hiệu tế bào, từ phát hiện tín hiệu đến đáp trả cuối cùng, được gọi là con đường chuyển dịch tín hiệu (signal transduction pathway) Con đường chuyển dịch tín hiệu bao gồm tín hiệu, thụ thể, sự dịch chuyển và các hiệu ứng (effects)... tiêu, do vậy sự khuếch đại của tín hiệu diễn ra ở mỗi bước 14   Tín hiệu ở màng tế bào được chuyển đến nhân Việc có được nhiều bước tác động các protein mục tiêu khác nhau cho phép nhiều loại phản ứng đáp trả bởi các tế bào khác nhau đến cùng tín hiệu đó 2 Tác động của các thông điệp thứ cấp Sự dịch chuyển tín hiệu gián tiếp phổ biến hơn sự dịch chuyển tín hiệu trực tiếp Các nghiên cứu về hiệu quả của... bên trong của các tế bào kế cận Sự chuyển tín hiệu này diễn ra qua các cấu trúc chuyên biệt gọi là các nối khe (gap junctions) trong các tế bào động vật, và plasmodesmata trong các tế bào thực vật V CÁC CON ĐƯỜNG TÍN HIỆU KIỂM SOÁT HOẠT TÍNH GEN Toàn bộ bộ gen di truyền được chứa đựng trong hầu hết các tế bào là tiềm năng tạo thành số lớn của các kiểu tế bào, mà chúng biểu hiện sự đa dạng rất lớn về... cAMP cAMP này gắn vào các kênh ion làm chúng cho phép Na+ đi vào Sự thay đổi nồng độ ion Na+ kích thích neuron gởi tín hiệu đến não (hình 14.20 và 14.21) Đến não Não Tế bào thần kinh Xoan mũi Bên ngoài tế bào Chất mùi Phân tử mùi Thụ thể mùi Kênh khe cAMP 17 Hình 14.20 Con đường dịch chuyển tín hiệu làm mở kênh ion Màng sinh chất a b Tín hiệu đến não Hình 14.21 Con đường dịch chuyển tín hiệu : cơ chế làm... chuyển vào tế bào chất và DAG ở lại trên màng Các messenger thứ cấp này kích hoạt nhiều sự kiện của tế bào Màng sinh chất Các phản ứng của tế bào Trong tế bào Các phiến của lưới nội chất trơn 2+ Ca cao Kênh Ca2+ Hình 14.18 Hệ thống thông điệp thứ cấp IP3 và DAG 15 Ion calcium cũng là thông điệp thứ cấp Nồng độ Ca 2+ trong tế bào chất thường chỉ khoảng 0,1 Mm Nồng độ này được giữ thấp thông qua sự vận chuyển... đều có tác động cuối cùng đến sự biểu hiện gen Ngoài ra, còn có siêu họ receptor nhân (the nuclear receptor superfamily) tác động đến sự phiên mã gen trong nhân tế bào Do có quá nhiều con đường tín hiệu 19 kiểm soát hoạt tính gen, ở phần này vài ví dụ được nêu để có thể hiểu rõ hơn về sự truyền tín tác động đến sự biểu hiện gen trong tế bào 1 Siêu họ receptor nhân Trong tế bào có hẵn một siêu họ (super... cực, cả đi ra khỏi tế bào và đi vào lưới nội chất Không giống với cAMP, Ca 2+ không được tạo ra trong tế bào; nó phải được nhập vào Nhiều tín hiệu khác nhau làm cho các kênh Ca 2+ mở ra, kể cả IP3 Một khi tín hiệu kích hoạt các kênh Ca 2+ mở ra, nồng độ Ca 2+ nhanh chóng tăng lên đến 100 lần nồng độ tĩnh (resting) Các ion calcium lúc này ảnh hưởng đến các hoạt tính của những protein tế bào, kể cả protein... tính tế bào Các transducer (chất dịch chuyển) chuyển tín hiệu từ dạng này sang dạng khác Sự dịch chuyển trực tiếp (Direct transduction) cho kết quả từ tác động của bản thân receptor lên các protein hiệu ứng Sự dịch chuyển trực tiếp diễn ra ở màng sinh chất Sự dịch chuyển gián tiếp sử dụng thông điệp thứ cấp để làm trung gian cho tương tác giữa sự gắn receptor (receptor binding) và phản ứng tế bào (cellular... thụ thể protein kinase (hình 14.14) Insulin Ngoài tế bào Các nhóm P Trong tế bào Thụ thể insulin Cơ chất đáp lại insulin Phản ứng của tế bào Hình 14.14 Các thụ thể của Insulin 5 Các thụ thể tế bào chất Các thụ thể tế bào chất (Cytoplasmic receptors) nằm bên trong tế bào gắn với các ligand có thể xuyên màng sinh chất Thụ thể biến hình và lúc đó có thể đi vào nhân, nơi nó tác động như nhân tố phiên mã (hình... một loạt các sự kiện, tuy nhiều sự kiện diễn ra cùng lúc Con đường chuyển dịch tín hiệu gồm các bước tóm tắt như sau :  Receptor gắn vào phân tử tín hiệu và biến hình  Sự thay đổi cấu hình gây ra hoạt tính kinase  Sự phosphoryl hóa biến đổi chức năng của protein  Tín hiệu được khuếch đại (amplified)  Các nhân tố phiên mã được hoạt hóa  Sự tổng hợp đã được biến đổi của các protein đặc hiệu diễn ra . XIV SỰ TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ GIAO LƯU THÔNG TIN TẾ BÀO (CELL SIGNALING AND COMMUNICATION) Những năm cuối thế kỷ 20, một lĩnh vực sinh học phân tử tế bào gây ấn tượng mạnh là tín hiệu tế bào (cell signaling) . đây, sự giao lưu thông tin nhờ tín hiệu ngoại bào thường được chia ra chi tiết hơn gồm các bước: (1) tổng hợp và (2) phóng thích tín hiệu bởi tế bào tín hiệu; (3) vận chuyển tín hiệu tới tế bào. tiết của các tín hiệu và thông tin của tế bào và các mối quan hệ phức tạp trong điều hòa hoạt động nội bào cũng như tiếp nhận thông tin ngoại bào. 3. Các giai đoạn của sự truyền tín hiệu : thu