TCNCYH 21 (1) - 2003 Giải thởng Nobel y sinh học năm 2002 (The Nobel Prize in Bio-Medicine 2002) GS Vũ Triệu An Bộ môn Miễn dịch Sinh lý bệnh Đại học Y Hà Nội Ngày 7 tháng 10 năm 2002, Hội đồng Giải thởng Nobel của Viện Karolinska (Thuỵ Điển) đã quyết định trao giải Nobel về Y Sinh học năm 2002 cho các nhà khoa học Sydney Brenner, H. Robert Horvitz và John E. Sulston Vì những khám phá của họ trong lĩnh vực "Điều hoà gen trong sự phát triển cơ quan và chết theo chơng trình"[10]. Nh mọi sinh vật vĩ mô, cuộc sống của tế bào cũng trải qua 4 thời kỳ phát sinh, phát triển, tiến triển và kết thúc. Kết thúc thờng là chết theo một trong 2 phơng thức: chết do hoại tử và chết theo chơng trình. Cách chết thứ nhất xẩy ra khi tế bào bị một tấn công mãnh liệt, màng tế bào vỡ, nhân tan ra nhiều mảnh có cỡ khổ khác nhau. Còn cách chết thứ hai thờng là do từ bên trong dới tác dụng của một số tín hiệu lam men endonuclease hoạt động và cắt nhân ra thành nhiều mảnh có kích cỡ tơng tự nh nhau [2]. Đó là chết theo chơng trình (programmed death) hay apoptosis (nguyên uỷ từ apoptosis này chỉ hiện tợng lá rụng vào mùa thu, nay trong sinh học dùng để chỉ cái chết êm ả tất nhiên phải đến mà bình thờng xẩy ra với tế bào già đến thời kỳ kết thúc chu trình sống nếu không phân chia thành 2 tế bào mới). Nếu chết do hoại tử đã đợc biết từ cổ xa thì chết theo chơng trình mới chỉ đợc mô tả thay đổi về hình thái ra từ mấy năm đầu của thập kỷ 70. Ba nhà bác học vừa đợc giải thởng nói trên đã có công lớn là nhờ thay đổi đối tợng nghiên cứu mà đã đi sâu vào tìm hiểu có chế của quá trình chết theo chơng trình, nhờ đó làm sáng tỏ cả cơ chế điều hoà gen trong sự phát triển cơ quan. Sydney Brenner (sinh năm 1927) làm việc tại Viện Nghiên cứu Phân tử Berkeley, Mỹ. Ông đã dùng C. elegans làm một mẫu thực nghiệm mới. Vào đầu những năm 1960, ông đã nhận thấy có những khó khăn cơ bản trong việc nghiên cứu sự biệt hoá và phát triển cơ quan ở động vật cấp cao, nh động vật có vú chẳng hạn. Do vậy, rất cần có một mẫu hình nghiên cứu của sinh vật đa bào nhng đơn giản và dễ thực hiện. Ông đã thấy con giun tròn - Caenorhabditis elegans- là một mẫu hình lý tởng. Loại giun này dài khoảng 1mm, thân trong suốt, rất thuận lợi cho việc quan sát quá trình phân chia tế bào trực tiếp dới kính từ khi con giun hãy còn là trứng cho đến khi nó trởng thành. Trong số 1090 tế bào có ở con giun C. elegans thì bao giờ cũng có 131 tế bào đợc sinh ra không để làm gì cả và sẽ chết theo chơng trình [10]. Các quá trình đó đã đợc ông trực tiếp theo dõi và quan sát qua kính hiển vi. Các khám phá của Brenner đợc tiến hành ở Đại học Cambridge. Điều này đã tạo ra cơ sở giúp cho tất cả các công việc về sau của ông cũng nh của các nhà nghiên cứu khác nh John Sulton đi sâu vào theo dõi, phân tích quá trình di truyền với phân chia, biệt hoá tế bào và phát triển cơ quan. John Sulston (sinh năm 1942), làm việc tại Trung tâm Sanger, Đại học Cambridge, Anh, ngời đã theo dõi sự phân chia, biệt hoá của mỗi tế bào trong sự phát triển thành một mô của C. elegans và nhờ đó đã thành lập đợc một thứ phả hệ của một dòng tế bào nghĩa là 92 TCNCYH 21 (1) - 2003 quá trình phát sinh phát triển, và kết thúc của một dòng tế bào theo một chơng trình không thay đổi từ con giun này sang con giun khác. Ông đã mô tả đợc quá trình chết theo chơng trình này trớc nhất qua quan sát trực tiếp. Nhng quan trọng nhất là ông đã xác định đợc gen nuc-1 tham gia vào quá trình này mở đờng cho Robert Horvitz tiếp tục đóng góp thêm Robert Horvitz (Sinh năm 1947), làm việc tại Viện Nghiên cứu Công nghệ, Massachusetts, Cambridge, USA, ngời đã khám phá và xác định những gien quan trọng kiểm soát quá trình tế bào chết theo chơng trình ở C. elegans. Ông cũng cho thấy những gien đó tơng tác với nhau trong quá trình chết của tế bào nh thế nào và chúng cũng đợc bảo tồn ở các sinh vật cấp cao nh ở con ngời. Vậy tổng quan lại quá trình chết theo chơng trình là nh thế nào? Trong phạm vi bài thông tin tôi chỉ xin nêu mấy nét chính. Các bạn đọc có thể tham khảo thêm: Apoptosis, chết theo chơng trình tài liệu tham khảo cho sau đại học Bộ môn Miễn dịch Sinh lý bệnh Vũ-Triệu-An (1998) [2]. Quá trình apoptosis là cái chết tự nhiên của tế bào. Trong chết do hoại tử, các màng của tế bào đều ít nhiều bị h hại nên nguyên sinh chất cũng nh nhân vỡ thành những mảnh không đều nhau. Trái lại chết theo chơng trình thì trớc tiên có hiện tợng ngng tụ chromatin rồi nguyên sinh chất cô đọng, màng nguyên sinh chất lõm vào ôm lấy mảnh chromatin tạo thành mảnh tế bào đợc gọi là thể apoptosis [5]. Trớc tiên chết theo chơng trình là một hiện tợng sinh lý xẩy ra để loại bỏ những tế bào không cần thiết cho cơ thể sống nh những tế bào già, những tế bào không còn chức năng hay nếu tồn tại sẽ không có lợi cho cơ thể. Trong miễn dịch học [1] một thí dụ điển hình là tế bào lymphô khi ở tuỷ xơng đi ra đến tuyến ức thì phải trải qua một sự chọn lọc. Chỉ đợc giữ lại hoạt động những tế bào nào nhận biết MHC của bản thân (chọn lọc dơng) và dung thứ với các tự kháng nguyên (chọn lọc âm). Còn những tế bào khác đến 90% bị loại theo con đờng apoptosis. Cũng nh mọi hoạt đông khác của tế bào, chết theo chơng trình cũng đợc khởi phát, kiểm soát và rồi mới đợc thực hiện. Nguyên nhân hiện nay đợc biết nhiều thờng là từ bên ngoài nhng có cả từ bên trong. Mọi yếu tố bên ngoài có thể làm h hại dến ADN nhân (ion, bức xạ, nóng lạnh quá ) mà vợt ngoài khả năng tự sửa chữa của tế bào. Những yếu tố bên trong thờng là sự mất cân bằng của quá trình điều hoà sinh trởng tế bào mà gây ra ví dụ nh khi thiếu yếu tố sinh trởng, giảm hoạt động của các rêxepto tơng ứng hay tăng những cytokin ức chế tế bào sinh trởng nh TNF, Fas. Nhng biểu hiện ra bên ngoài về hình thái và hoá sinh của hiện tơng lại khá đơn điệu và thuần nhất. Do đó làm cho ngời ta nghĩ rằng để có thể đi đến một kết thúc nh vậy, bên trong của hiện tợng này tế bào phải trải qua một thân chung. Một điều nữa mà nhiều tác giả chú ý đến là tính trạng tức thì [6] của tế bào cũng có vai trò quyết định của sự khởi phát hay không sự chết theo chơng trình. Những ví dụ về miễn dịch học đã nói ở trên với cũng cùng chất kích thích, cùng một đối tợng tế bào thì khi lại là tăng sinh khi lại là chết theo chơng trình. Đến nay ngời ta đã hiểu rõ hơn cơ chế bên trong và thấy là sau khi có tín hiệu cảm ứng thì bên trong tế bào đối tợng còn có sự kiểm soát điều hoà trớc khi bớc sang giai đoạn thực hiện chết theo chơng trình. Nói một cách khác là quá trình chết theo chơng trình cũng là kết quả của sự cân bằng giữa những yếu tố nội tế bào tăng cờng và yếu tố ức chế. Những thí nghiệm tiến hành trên con giun tròn C. elegans đã làm sáng tỏ vấn đề. Dùng những kỹ thuật sinh hoc và gien học phân tử ngời ta thấy đợc ở con giun bé nhỏ kia quá trình chết theo chơng trình là do 3 gien điều hoà và kiểm soát: ced-3, ced-4 và 93 TCNCYH 21 (1) - 2003 ced-9. Chính ced-3 giữ vai trò một enzym tiêu protein (protease) chủ yếu trong sự gây chết theo chơng trình của 131 tế bào trong quá trình trởng thành của con giun [8]. Ngời ta thấy mọi biến dị làm mất hay giảm hoạt động của gien ấy sẽ kéo theo sự sống sót những tế bào đáng nhẽ sẽ bị loại. Ngợc lại gien ced-9 có hoạt động chống lại ced-3 nghĩa là ngăn cản quá trình apoptosis của những tế bào cần sống sót. Nh vậy là có một sự cân bằng đối kháng giữa hai gien. Còn gien ced-4 thì mã hoá yếu tố hoạt hoá protease của apoptosis (Apaf = Apoptosis protease activating factor), protease ấy là enzym endonuclease sản phẩm của ced-3 cần thiết để tiêu DNA (Hình 1). H ình 1. Quá trình apoptosis ở con giun C. elegans: 131 tế bào bị loại bỏ do chết the o chơng trình dới tác dụng của gen ced-4 làm chuyển cân bằng giữa ced-9/ced-3 nghiêng về bên ced-3 và từ đó hoạt hoá protease phá nhân. ở ngời, từ 1985 ngời ta phát hiện ra một gen sinh ung th có biểu lộ mạnh trong u lymphô B gọi là Bcl-2 [1]. Gien không gây phân triển tế bào nhng lại có tác dụng chống lại quá trình chết theo chơng trình mà bình thờng những tế bào ấy sẽ bị loại bỏ nếu chúng không có đáp ứng miễn dịch. Do đó những tế bào này không chết và là tiền đề để gây ra u. Lý thú là sau khi thành công tạo clôn ced-9 thì thấy là protein của gen này có một sự tơng đồng rất gần với protein do Bcl-2 mã. Nhng ở sinh vật cấp cao ngời ta đã phát hiện hơn một chục gen cùng họ Bcl-2 mà protein của chúng lại có tác dụng khác nhau, cái tăng cờng, cái ức chế chết theo chơng trình. Các phân tử protein sản phẩm của họ Bcl-2 đều nằm trên màng tế bào hay ty lap thể và có thể chia thành hai nhóm đối lập nhau; nhóm tăng cờng nh Bcl-Xs, Bax, Bak, Bad, Bid và nhóm ức chế nh Bcl-2, Bcl-XL, Mcl-1, Nr-13 Có thể nói là có một sự cân bằng giữa hai nhóm. Khi thiên về một bên nào đó thì có thể tăng apoptosis hay ngợc lại (Hình 2). 94 TCNCYH 21 (1) - 2003 Giai đoạn 1 tín hiệu: rất nhiều loại tín hiệu có thể gây ra apoptosis. Các đờng dẫn tín hiệu có vẻ dẫn đến một con đờng chung thuộc giai đoạn 2 Giai đoạn 2 kiểm soát và điều hoa xẩy ra ở ty lạp thể. Có một sự cân bằng giữa 2 nhóm Bcl-2 và Apaf mà nếu kết quả thiên về chết thì chuyển sang giai đoạn 3 Giai đoạn 3 thực hiện: thay đổi thế năng màng và xuất hiện các gốc tự do dẫn tới phóng thích cytochrome và AIF, caspase đợc hoạt hoá và nhân bị chẻ thành mảnh nhỏ, tế bào chết theo chơng trình. Nhng từ 1994 đi sâu vào cơ chế phát sinh chết theo chơng trình thì ngời ta thấy vai trò rất quan trọng của ty lạp thể [8, 9, 10]. Bao giờ apoptosis cũng có kèm theo những thay đổi sâu sắc của bào quan. Sự sụt thế năng màng ty lạp thể m là gốc của những sai sót và thí nghiệm dùng chất ngăn sụt giảm m nh acid bongkrekic sẽ không gây ra apoptosis. Nh vậy có thể kết luận là sự thay đổi tính thấm màng gây ra apoptosis và giảm m là do sự thay đổi tính thấm ấy và khi có thay đổi nh vậy thì cytochrom C và AIF (apoptosis inducing factor) từ trong sẽ ra ngoài ty lạp thể. Chúng hoạt hoá enzym tiêu đạm caspase có trong bào tơng để dẫn đến cái chết theo chơng trình. (Hình 2) Sự chú ý của các nhà khoa học đến cơ chế của sự chết theo chơng trình càng đợc tăng cờng vì hai lý do: 95 TCNCYH 21 (1) - 2003 Càng ngày ngời ta càng phát hiện ra nhiều bệnh trong đó có trục trặc về apoptosis và đồng thời cũng tìm ra đợc một số chất có tác động lên quá trình ấy; Càng ngày càng rõ là những cơ chế chịu trách nhiệm về quá trình apoptosis có liên quan đến nhiều khía cạnh thấy trong nhiều trạng thái bệnh lý ngời. Những biểu hiện lâm sàng thấy trong nhiều rối loạn bệnh lý rất khác nhau mà lại là hậu quả của tình trạng kích thích bất thờng sự chết theo chơng trình. Cụ thể nh trong bệnh Alzheimer hay xuất hiện ở ngời già, bệnh Huntington, nhồi máu cơ tim hay trong hội chứng suy giảm miễn dịch AIDS. Mặt khác khi apoptosis không hoạt động thì sẽ dẫn đến tăng sinh tế bào mà có thể không kiểm soát nổi nữa. Rất có khả năng là một số u ác tính thực ra có thể là hậu quả của những yếu tố loại bỏ quá trình chết theo chơng trình. Bảng 1 tóm tắt những nhóm bệnh trong đó apoptosis tăng (+) hay giảm (-). Bảng 1. Những bệnh có liên kết với rối loạn quá trình apoptosis (8) Hệ thống Ví dụ Apoptosis tăng cờng ức chế Bệnh thoái hoá thần kinh Alzheimer SLA, xơ cứng cột bên teo cơ Parkinson + + + Rối loạn miễn dịch Bệnh tự mẫn Bệnh AIDS Bệnh đái tháo đờng Bệnh viêm tuyến giáp + + + + Hội chứng thiếu máu-tái tới Nhồi máu cơ tim Tai biến mạch máu não + + Ung th Lymphoma Astrocytoma Hepatoma Melanoma Một số u khác + + + + + Các loại khác Tuổi già Hói đầu + + Bảng 1 tóm tắt những nhóm bệnh trong đó apoptosis tăng (+) hay giảm (-). Hội chứng thiếu máu-tái tới (ischemia- reperfusion) thờng xuất hiện trong tai biến mạch máu não và nhồi máu cơ tim [2, 8]. Khi này tắc mạch máu do xơ cứng mạch nên tại chỗ có thiếu tới máu, thiếu oxy và một số tế bào bị chết do hoại tử. Nhng hoặc do điều trị (làm tiêu cục máu đông, ghép nối mạch) hoặc do tự hồi phục mà tại chỗ có tăng tái tới máu thì lại thấy xuất hiện những vùng tế bào chết theo chơng trình xung quanh chỗ hoại tử ban đầu mở rộng ra. Hiện nay qua những mô hình thực nghiệm trên thỏ hay chuột gây nhồi máu cơ tim rồi tái tới ngời ta đã thấy rõ tổn thơng kinh điển hoại tử tế bào ở giữa nơi thiếu máu có đợc bao quanh bởi những vùng tế bào chết apoptosis. Hiện tợng có vẻ nghịch lý ấy là do một sự tăng quá mức các gốc tự do oxy hoá mà quan trọng là NO. Phân tử này do cả enzym NO synthetase nội mô lẫn NOS viêm tạo ra. Các gốc tự do là một 96 TCNCYH 21 (1) - 2003 trong nhiều nguyên nhân gây ra quá trình apoptosis [2]. Trên ngời cũng thấy nh vậy và tổn thơng do tái tới này lại dễ xẩy ra hơn so với những cố gắng mở thông động mạch vành bị tắc (dùng thuốc tiêu cục máu đông, phẫu thuật mạch ). Để hạn chế quá trình chết theo chơng trình ấy ngời ta đã thử trên vật thí nghiệm những chất chống apoptosis và đã thấy có kết quả đáng khích lệ. Những chất chống apoptosis đầu tiên đợc phát hiện thấy trong một số virut nh là một phơng cách giúp chúng tồn tại trong cơ thể mà chúng nhiễm. Một số gien của chúng mã cho những protein chống lại apoptosis do hệ thống miễn dịch gây ra nhằm loại bỏ những tế bào bị nhiễm. Chính đó là cơ chế để chúng có thể né tránh đợc những cơ chế miễn dịch bảo vệ cơ thể và giúp chúng tồn tại và sinh sôi nẩy nở bên trong tế bào. Gần đây lại tổng hợp đợc một số peptid có tác dụng ức chế hoạt năng của caspase đang đợc dùng thử trên chuột và kết quả bớc đầu đã cho phép thử trên ngời. Những phát minh của 3 nhà bác học đã giúp cho hiểu biết thêm về sự điều hoà vô cùng tinh tế bên trong cơ thể sống. Cho nên mới có quan niệm cho rằng thiên nhiên không nhào nặn ra sinh vật (làm thay đổi hình thái với một số lợng không thay đổi) mà điêu khắc ra chúng (tức gọt rũa bỏ bớt để có một hình thái thích hợp). Một lần nữa những công trình ấy lại càng làm sáng tỏ hơn cái thế cân bằng tuyệt vời giữa những yếu tố khác nhau luôn luôn hoạt động trong cơ thể bình thờng và mọi mất cân bằng đều có thể đa đến tình trạng bệnh lý. Hơn nữa thành quả ấy còn mở rộng nhiều phơng hớng nghiên cứu trong bình thờng cũng nh bệnh lý. Tài liệu tham khảo 1. An- Vũ-Triệu, Homberg J.C. (1997), "Đáp ứng miễn dịch, tơng tác và điều hoà" Ch.VIII, mục 7, "Kháng nguyên ung th và oncogien" Ch.XV mục 2.2., trong Miễn dịch học, Nhà xuất bản Y học Hà Nội. 2. An- Vũ-Triệu (1998), Apoptosis hay chết theo chơng trình. Bài giảng sau đại học. Bộ môn Miễn dịch Sinh lý bệnh. 3. An- Vũ-Triệu (1998), Một vài nét về chết theo chơng trình. Tạp chí Nghiên cứu Y học số 3 tháng 7. Đại học Y Hà Nội. tr, 34-35 4.Bensa JC. (2000), Mort et stress cellulaire. Applications a lImmunologie. Mars PCEM1. 5. Golstein Pierre. (1991), Mort programmee et terrain cellulaire Medecine/Science, 7, 7, 681 6.Kahn Alexis. Presque tout sur CED-4 un chaperon proapoptogene du ver a lhomme. Medecine/Science 1997, 13, 1342 7. Mignon Alexandre & al (1998), Les caspases et les proteases a cysteine de lapoptose: la mort programmee est-elle apparue a la suite de levenement endosymbiotique a lorigine des mitochondries? Medecine/Science, 1, 14, 9. 8. Mignotte Bernard, & al (1998), Controle mitochondrial de lapoptose: la mort programmee est elle apparue a la suite de levenement endosymbiotique a l origine des mitochondries. Medecine/Science, 1, 14, 54 9. Polla S. Barbara & al (1998), Les mitochondries, carrefour entre vie et mort cellulaire, role des proteines de stress et consequences sur linflammation. Medecine/Science, 1, 14, 18 10. Hyperlink.http://www.mednobel.ki.se 7 October 2002. 97 . học Y Hà Nội Ng y 7 tháng 10 năm 2002, Hội đồng Giải thởng Nobel của Viện Karolinska (Thuỵ Điển) đã quyết định trao giải Nobel về Y Sinh học năm 2002. TCNCYH 21 (1) - 2003 Giải thởng Nobel y sinh học năm 2002 (The Nobel Prize in Bio-Medicine 2002) GS Vũ Triệu An Bộ môn Miễn dịch Sinh lý bệnh Đại học