SỰ TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ GIAO LƯU THÔNG TIN TẾ BÀO (CELL SIGNALING AND COMMUNICATION)

Chia sẻ: Huỳnh Hữu Việt | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

1.379
lượt xem 192
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: SỰ TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ GIAO LƯU THÔNG TIN TẾ BÀO (CELL SIGNALING AND COMMUNICATION)

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 t ế bào gây ấn t ượng m ạnh là tín hiệu tế bào (cell signaling) đã phát triển nhanh và sẽ ti ếp tục ti ến tri ển trong th ế k ỉ 21. E.W. Sutherland là người mở đầu cho các nghiên cứu về các thông đi ệp (messenger) hóa h ọc 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, c ả sinh v ật nhân s ơ 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 nh ờ các c ơ 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 n ồng độ phosphate bên ngoài và các chất dinh dưỡng khác. Trong hi ện 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) ti ết 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 b ội (2n NST) d ẫn đ ến gi ảm phân t ạo 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 t ầm quan tr ọng s ống 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. Ch ương trình phát triển cá thể ở các sinh vật này được thực hiện một cách hoàn hảo và chính xác c ả trong không gian lẫn thời gian (đúng nơi, đúng lúc) m ột ph ần quan tr ọng là nh ờ thông tin n ội 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 lo ại chủ yếu theo kho ảng cách tác đ ộng : 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 t ế 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 (c ảm ứng ho ặc ức chế co 1
cơ) xảy ra qua sự phát 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 ch ẽ v ới ch ất n ền (matrix) ngoại bào, không thành tín hiệu, nhưng sau đó có thể được phóng thích ở dạng có ho ạt 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 n ồng đ ộ c ủa chúng ở t ế 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 tri ển c ủa 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 ki ểm soát c ủa 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 hi ệu 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 hi ệu xen-màng phóng thích vùng ngo ại 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 c ơ th ể (tín hi ệu n ội 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 th ể gắn và phát tín hi ệu t ới t ế bào lân c ận 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 c ủa 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 ti ếp nh ận 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 đ ộng v ật 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 th ấy hai đi ều : th ứ nh ất, 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 đo ạn. Ngày nay, quá trình được mô tả trên sơ đồ đơn giản hóa như sau (hình 14.1). 2
Phân tử tín hiệu ngoại bào 1. Thu Protein thụ thể nhận Màng sinh chất tế bào mục tiêu 2. Dịch Các protein tín chuyển hiệu nội bào Các protein 3. Đáp hiệu ứng trả Các enzyme Các protein Các protein (Effector trao đổi chất điều hòa gen khung sườn protein) Thay đổi Thay đổi Thay đổi trao đổi chất biểu hiện gen hình dạng hay vận động 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 th ường là trên b ề 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 bi ến tín hiệu thành dạng tạo ra phản ứng đặc hiệu của tế bào. Theo hệ thống c ủa Sutherland, s ự gắn epinephrine vào bên ngoài của thụ thể protein ở màng sinh chất t ế bào gan d ẫn đ ến 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 c ủa tế bào nh ư 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 th ời đi ểm 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 hi ệu bởi tế bào tín hi ệu; (3) v ận chuy ển 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 d ưỡng ho ặc s ự phát tri ển c ủa t ế bào (7) lo ại 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 ho ặc tiết ra ngoài (như các hormone, yếu tố tăng trưởng, chất dẫn truyền thần kinh và pheromon). Tuy 3
nhiên, một số receptor được hoạt hoá nhờ thay đổi nồng độ chất bi ến dưỡng (như oxy, ch ất dinh dưỡng) hay kích 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 hi ệu giúp t ế bào đáp l ại v ới nh ững 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 Sự sống sót Tăng trưởng + Phân bào Biệt hóa Chết theo C hế t chương trình (Apoptosis) Hình 14.2. Các tín hiệu nội bào tác động đến các quá trình sống căn bản ở tế bào động v ật 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 Các tín hiệu 1. 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 tri ển ở sinh v ật đa bào. Cả các tế bào nhân sơ và nhân chuẩn đều phải xử lý thông tin từ môi tr ường ngoài và đáp tr ả m ột cách thích hợp. Các tín hiệu ngoại bào bao gồm các protein-neo màng và ti ết ( 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 th ể b ề m ặt kích ho ạt các con đường dịch chuyển tín hiệu nội bào, mà cuối cùng điều biến ch ức năng, s ự bi ến d ưỡng hay 4
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. 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 đ ộ, s ự ch ạm, và âm thanh. Các t ế bào bên trong của sinh vật đa bào tiếp xúc với các dịch ngọai bào, v ới các t ế bào khác và nh ận thông tin từ chúng Các tín hiệu từ một tế bào có thể tác động lên nhiều tế bào lân c ận (c ận ti ết), t ế 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, CO2, 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 đ ộng. 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 Tế bào tín hiệu Mục Chất trung gian Dòng máu Hình 14.4. Các tín hiệu nội tiết theo dòng Hình 14.3. Sự truyền tín hiệu cận máu đi xa tiết 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 d ễ 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 n ước 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 hi ệu tan trong lipid có phản ứng lâu dài hơn nhiều. Phản ứng đáp lại tối đa của tế bào với ligand đặc bi ệt nói chung xảy ra ở các n ồng đ ộ 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 gi ữa 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 lu ật tác đ ộng kh ối (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. 5
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 Màng sinh chất Thụ thể Bên trong tế bào 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 s ơ cấp) với nhiều thụ thể bề mặt tế bào dẫn đến sự gia tăng ngắn hạng (hoặc giảm) trong n ồng độ c ủa m ột số các phân t ử tín hi ệu n ội 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 Ca2+ 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 ti ếp theo sự gắn với tín hiệu ngoại bào sẽ kích hoạt sự thay đổi nhanh chóng trong ho ạt tính c ủa m ột ho ặc nhi ều 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 Ca2+ 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 ti ết ở t ế bào thần kinh. Tương tự, nồng độ cAMP tăng cũng cảm ứng các thay đ ổi khác nhau trong bi ến dưỡng tế bào, mà chúng khác nhau ở các kiểu khác nhau c ủa tế bào người. Ion Ca 2+ và các phosphoinositide cũng tác động như thông điệp thứ cấp. Phương thức tác động c ủa 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. Ki ểu các tín hi ệu mà tế bào sản sinh ra được xác định di truyền. Các thụ thể có các đi ểm gắn đ ặc hi ệu cho các tín hiệu của chúng, như ví dụ hormone tăng trưởng sau đây (hình 14.6). 6
Tín hiệu (hormone tăng trưởng) Thụ thể (hai tiểu phần) Mặt ngoài màng sinh chất 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 b ảng 14.1). Một số protein kênh ion tác động như những “cổng” (“gates”) là các thụ thể tín hiệu. Ngoài tế bào Nhân 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). Thựchiện phản ứng Ví dụ về tác động Tên receptor Hoạt hóa các nhân tố phiên mã bào tương Găn vào protein G tam phân 1. Receptor kiểm soát hoạt tính của protein và nhân tế bào qua vài con đường (ở đây là gắn-protein G tác động kinase potein A) effector (adenylyl cyclase) Kết hợp với các kinase JAK bào Hoạt hóa các nhân tố phiên mã STAT bằng 2. Receptor tương phosphoryl hóa cytokine Domain bào tương với hoạt tính Hoạt hóa các kinase bào tương (kinase 3.RTK- MAP) chuyển vào nhân và hoạt hóa các kinase tyrosine Receptor nhân tố phiên mã nhân nhờ phosphoryl hóa kinase tyrosine Domain bào tương với hoạt tính Hoạt hóa các nhân tố phiên mã Smad trong 4. Receptor bào tương nhờ phosphoryl hóa kinase serine/threonine TGFβ Ligand Hh cột vào màng của tế Kiểm soát quá trình chế biến nhân tố phiên 5. Receptor bào tín hiệu bằng neo (anchor) mã; sự gắn Hh làm phóng thích khỏi phức Hedgehog hợp bào tương cholesterol (Hh) Ligand Wnt được palmitoyl hóa Phóng thích nhân tố phiên mã đã hoạt hóa 6. Receptor (palmitoylated) gắn vào phức từ phức hợp đa protein trong bào tương Wnt hợp receptor 7 protein xuyên màng 7
Domain bào tương của Notch được phóng Ligand, Delta, là protein xuyên 7. Receptor màng trên tế bào tín hiệu thích bởi sự phân hủy protein tác động kết Notch hợp với các nhân tố phiên mã nhân 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 l ớn. Chúng được đặt tên theo các nhóm receptor có liên quan (như GPCRs, receptor tyrosine kinase), ki ểu ligand (như TGFβ, Wnt, Hedgehog) hoặc các cấu phần chuyển dịch tín hiệu nội bào ch ủ ch ốt. Nhờ đó giúp chúng ta hiểu được sự phong phú của nguồn thông tin m ới liên quan đ ến tín hi ệu 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. S ự phát tín hi ệu t ừ 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 th ể 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 bi ến 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 n ội bào để hoạt hoá yếu tố phiên mã trong bào tương (như con đường Wnt). Ở con đ ường khác, s ự phân cắt protein của thụ thể màng tế bào được hoạt hóa ho ặc protein bào tương sẽ phóng thích yếu tố phiên mã (như Hedgehog, Notch và con đường NK-kB). Các yếu t ố phiên mã đ ược ho ạt 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 ho ạt hoá vài protein kinase trong bào tương, mà các protein này đi vào nhân và điều hoà ho ạt tính c ủa các y ếu t ố phiên mã trong nhân. Phân tử tín hiệu ngoại bào Con đường Thụ thể bề tín hiệu nội mặt tế bào bào Nhân Chức năng Tác động protein thay chậm (nhiều Tác động đổi phút đến nhanh (giây nhiều giờ) đến phút) Tổng hợp protein thay đổi Bộ máy tế bào chất thay Hành vi tế bào thay đổi 8
Hình 14.8. Hai kiểu tác động của các phân tử tín hiệu ngoại bào - Một số nhóm receptor có thể chuyển tín hiệu qua nhiều nhiều hơn m ột con đ ường tín hiệu nội bào, gây nên các đáp lại khác nhau của tế bào. Sự phức tạp này là đi ển hình ở các receptor gắn kết-protein G, receptor tyrosine kinase (RTK), receptor cytokine. - Mặc dù có rất nhiều loại ligand và receptor đặc hi ệu khác nhau, nhưng có t ương đ ối ít các c ơ chế dịch chuyển tín hiệu và các protein nội bào được bảo tồn cao trong ti ến hóa đóng vai trò quan trọng trong các con đường tín hiệu nội bào. Nhi ều ti ến b ộ đã đạt đ ược trong nh ững năm gần đây, như có thể vạch ra toàn bộ con đường tín hiệu từ liên kết ligand v ới 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 m ặt 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 ki ểm 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 đo ạn đầu N trên m ặt ngoài màng tế bào, đoạn đầu C nằm trong bào tương c ủa màng sinh ch ất. Do v ậy, chúng đ ược 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). Khoảng ngoài tế bào Bào Màng tương sinh 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 Mặt màng (H1-H7), 4 phân đoạn ngoại bào (E1-E4), 4 phân đoạn bào tương (C1-C4). Đo ạn đ ầu-carboxyl (C4), vòng C3, ở vài receptor, còn có vòng C2 cũng tương tác với protein G tam phân g ắn k ết. Tín hiệu Bào tương Ngoài tế bào a b Trong tế bào Thụ thể Protein G Protein G hoạt hóa Protein effector 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 9
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 GTP. Tiểu phần gắn GTP (GTP-bound subunit) tách ra và di chuyển d ọc theo màng cho đ ến 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 ti ểu phần G βγ . Gα là protein công tắc ( switch). αGTPase chuyển đổi qua lại giữa trạng thái hoạt động (m ở - on) khi gắn kết với GTP và trạng thái bất hoạt (đóng - off) khi gắn v ới GDP (hình 14.10). Kích thích receptor gắn kết làm hoạt hoá protein G, khi đó protein G sẽ đi ều bi ến ho ạt tính c ủa protein hiệu ứng (protein tác động hay gây hiệu ứng). Mặc dù effector protein hầu nh ư đ ược Gα.GTP hoạt hóa, nhưng trong vài trường hợp nó bị ức chế. Hơn thế n ữa, 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 ki ểm soát. Tuy nhiên, tất cả protein hiệu ứng đều là các kênh ion g ắn màng hay các enzyme xúc tác sự hình thành thông điệp thứ cấp (như cAMP, DAG và IP3). Các dao động này trong quá trình chuyển tín hiệu nhờ GPCR gia tăng là vì các protein G đa ph ức ( multiple G proteins) được mã hóa trong các bộ gen sinh vật nhân chuẩn. Ví dụ, bộ gen người mã hóa 27 ti ểu ph ần G α, 5 Gβ và 13 Gγ khác nhau. Cho đến nay biết được, các tiểu phần G có chức năng tương tự nhau. Protein effector Chất phản ứng Sản phẩm 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 t ầm 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 đ ổi guanine GEF (Guanine nucleotide–exchange factor) làm phóng thích GDP từ protein công tắc. Sự gắn GTP ti ếp theo, được thuận lợi nhờ nồng độ nội bào cao, gây c ảm ứng thay đ ổi c ấu hình 2 đo ạn c ủa protein, gọi là công tắc I và II, cho phép protein gắn kết và hoạt hóa các protein tín hiệu khác phía sau. 10
Hoạt tính GTPase nội tại của protein công tắc sẽ thuỷ phân GTP thành GDP và Pi, do v ậy chuyển cấu hình công tắc I và II từ dạng hoạt động trở về dạng bất ho ạt. T ốc đ ộ thu ỷ phân GTP thường được gia tăng nhờ protein GAP (GTPase-accelerating protein) – protein tăng tốc GTPase), mà hoạt tính của nó cũng có thể bị kiểm soát bởi các tín hi ệu ngo ại bào. T ốc đ ộ thu ỷ giải GTP điều hoà độ dài thời gian protein công tắc còn ở d ạng c ấu hình ho ạt đ ộng và có th ể chuyển tín hiệu xuôi dòng. Có hai nhóm protein GTPase công tắc: protein G tam phân (lớn), liên kết trực tiếp và được hoạt hoá nhờ một số receptor, protein G đơn phân (nhỏ) như Ras và các protein tương tự Ras. Ras liên kết gián tiếp với receptor qua các protein trung gian và các protein GEF. Tất c ả protein G chứa các vùng giống công tắc I và II sẽ điều biến hoạt tính của các protein hiệu ứng đặc biệt (specific effector proteins) nhờ các tương tác trực tiếp protein-protein khi protein G gắn vào GTP. Mặc dù có những điểm tương tự như vậy, c ả hai nhóm protein gắn-GTP này đ ược đi ều hòa trong những con đường rất khác nhau. Sự điều hòa GTPase đơn phân (GTPase monomeric) (hình 14.12). Các protein hoạt hóa GTPase (GAPs) làm bất hoạt protein bằng kích thích nó thủy phân sự gắn nó với GTP tạo ra GDP mà vẫn còn gắn chặt vào GTPase bất hoạt. Các nhân tố trao đổi nucleotide guanine GEF hoạt hóa protein bất hoạt bởi sự kích thích nó phóng thích GDP của chúng. Do nồng độ GTP trong bào tương (cytosol) cao hơn 10 lần nồng độ GDP, protein nhanh chóng gắn GTP đồng thời đẩy GDP ra và như vậy được hoạt hóa. GTPase đơn phân bất hoạt GTPase đơn phân có hoạt tính Hình 14.12. GTPase đơn phân làm “công tắc” c. Epinephrine gắn kết với vài receptor gắn-protein G khác nhau Epinephrine đặc biệt quan trọng trong trung chuyển phản ứng đáp lại c ủa c ơ th ể v ới stress, như hoảng sợ hay làm việc quá sức, khi tất cả các mô c ần thoái d ưỡng nhi ều glucose và acid béo nhằm sản sinh ATP. Nguồn nhiên liệu trao đổi chất chủ yếu này có th ể cung c ấp cho máu trong vài giây bằng cách phân cắt glycogen thành glucose trong gan và triacylglycerol thành acid béo trong tế bào mỡ. Ở động vật có vú, sự giải phóng glucose và acid béo có thể kích hoạt nhờ gắn epinephrine (hay norepinephrine) vào các receptor β-adrenergic trên bề mặt tế bào gan và tế bào mỡ. Epinephrine gắn với receptor β-adrenergic trên tế bào cơ tim làm tăng độ co c ơ, tăng lượng máu cung cấp cho các mô. Ngược lại, kích thích receptor β-adrenergic bằng epinephrine lại gây dãn cơ trơn ở ruột. Một kiểu receptor epinephrine khác, receptor α2-adrenergic, tìm thấy ở tế bào cơ trơn thành mạch máu trong đường ruột, da và thận. Khi epinephrine gắn với các receptor này làm cho động mạch co lại, cắt đứt sự tuần hoàn tới cơ quan ngo ại vi. Những tác đ ộng khác nhau này của epinephrine đều dẫn tới kết quả chung là cung cấp năng lượng cho sự chuyển động nhanh của các cơ vận động chủ yếu để mau đáp lại các stress của cơ thể. 11
Mặc dù tất cả receptor epinephrine đều là GPCR , nhưng các kiểu khác nhau gắn với protein G khác nhau. Do đó, ngoài tầm quan trọng về sinh lý, các receptor này đ ược quan tâm vì chúng kích hoạt các con đường dịch chuyển tín hiệu nội bào khác nhau. Cả hai ki ểu phụ (subtypes) của receptor β- adrenergic gọi là β1 và β2 đều gắn cặp với protein G kích thích (stimulatory G protein - Gs), protein này hoạt hoá enzyme adenylyl cyclase gắn-màng. Một khi được hoạt hóa, adenylyl cyclase xúc tác tổng hợp thông điệp thứ cấp cAMP. Hai kiểu phụ của receptor β-adrenergic, là β1 và β 2, cũng gắn kết với các protein G khác nhau. Receptor β1- adrenergic bắt cặp với protein Gi để ức chế adenylyl cyclase, chính enzyme tác động kết hợp với các β-adrenergic receptor. Ngược lại, protein Gq bắt cặp với receptor α2-adrenergic để hoạt hóa một enzyme tác động khác, tạo ra các thông điệp thứ cấp khác nhau. Vài độc tố của vi khuẩn chứa một tiểu phần xâm nhập vào màng sinh chất của tế bào và xúc tác sự biến đổi Gsα GTP để ngăn chặn sự thủy giải GTP thành GDP. Kết quả là Gs α vẫn còn ở trạng thái kích hoạt, liên tục hoạt hoá adenylyl cyclase mà không có s ự kích thích hormone. Độc tố cholera do vi khuẩn Vibrio cholera sinh ra và enterotoxin của vài chủng E. coli tác động theo cách này lên tế bào biểu mô ruột. cAMP n ội bào gia tăng quá m ức làm m ất ch ất điện giải và nước trong khoang ruột, gây bệnh tiêu chảy nước đặc tr ưng cho s ự nhi ễm b ởi các vi khuẩn này. d. Receptor gắn-protein G hoạt hóa hoặc ức chế adenylyl cyclase Protein G tam phân cho phép các phức receptor-hormone khác nhau điều biến hoạt tính của chính protein hiệu ứng. Trong gan, glucagon và epinephrine gắn k ết v ới các th ụ th ể khác, nhưng cả hai receptor này đều tương tác với và hoạt hóa Gs, mà nó ho ạt hóa adenylyl cyclase, do đó kích hoạt cùng chính các phản ứng biến dưỡng đáp lại. S ự ho ạt hóa adenylyl cyclase và do đó nồng độ cAMP, tỉ lệ với tổng nồng độ Gs α.GTP gây nên do sự gắn cả hai hormone với các thụ thể tương ứng. Điều hòa hoạt tính âm và dương của adenylyl cyclase xảy ra trong một vài kiểu tế bào, để đảm bảo sự kiểm soát tinh vi lượng cAMP. Ví dụ, kích thích các t ế bào m ỡ b ằng epinephrine, glucagon, hay ACTH (Adrenocorticotrophic hormone) làm ho ạt hóa adenylyl cyclase, trong khi prostaglandin PGE1 hay adenosine thì ức chế enzyme. e. Các thụ thể kênh ion (Ion channel receptors) Một số protein kênh ion tác động như những “cổng” (gates) là các receptor tín hiệu. Các protein kênh có thể mở cho các ion vào hay ra, hoặc đóng lại để hạn chế chúng. Tín hi ệu cho mở hay đóng kênh có thể là hóa học, ánh sáng, âm thanh, áp lực hay điện thế. Ví dụ về kênh ion cổng là thụ thể acetylcholine (hình 14.13). Ngoài tế bào Trong tế bào Hình 14.13. Kênh ion cổng trường hợp Acetylcholine (Ach) 12
4. Các protein kinase Một số protein thụ thể trở thành các kinase khi được hoạt hóa. Phosphate được chuyển từ ATP đến protein mục tiêu, làm biến hình hay hoạt tính của chúng. Đôi khi protein kinase phosphoryl hóa chính nó và được gọi là tự phosphoryl hóa (autophosphorylation). Các thụ thể của Insulin là những ví dụ về các 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 14.15). Các hormone steroid là ví dụ của 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 13
IV. SỰ DỊCH CHUYỂN TÍN HIỆU 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). Nó thường được mô tả như 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.  Tác động của protein thay đổi hoạt 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 reaction). Trong cả hai dịch chuyển trực tiếp và gián tiếp tín hiệu khởi sự hàng loạt các sự kiện mà lập tức dẫn đến phản ứng đáp trả cuối cùng. 1. Chuỗi bậc thang protein kinase Chuỗi bậc thang protein kinase (protein kinase cascade) là sự dịch chuyển tín hiệu trực tiếp xúc tác sự phosphoryl hóa các protein mục tiêu (hình 14.16). Các chi ti ết của chuỗi b ậc thang protein kinase nhất định đã được tìm ra từ khảo sát ức ch ế protein Ras (Ras protein inhibition) khi xử lý ung thư bàng quang (bladder cancer). Ras là một phần c ủa chu ỗi b ậc thang protein kinase ảnh hưởng đến phân bào. Con đường này được gọi là cascade (chuỗi bậc thang) vì mỗi kinase phosphoryl hóa bước kế tiếp. Ngoài tế bào Nhân tố tăng trưởng Trong tế bào Có hoạt tính Protein adaptor Bất hoạt Nhân Các phản ứng của tế bào Hình 14.16. Chuỗi bậc thang protein kinase (Protein Kinase Cascade) Ít nhất có ba ưu thế để có nhiều bước kinase trong dịch chuyển tín hiệu: 14
Mỗi một protein kinase được hoạt hóa có thể phosphoryl hóa nhi ều protein m ục tiêu,  do vậy sự khuếch đại của tín hiệu diễn ra ở mỗi bước. 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 epinephrine lên enzyme phosphorylase trong gan phát hi ện cAMP vòng (cyclic AMP - cAMP) như thông điệp thứ cấp. Thông điệp thứ cấp mang tín hiệu từ thụ thể màng đến tế bào chất. Thông điệp thứ cấp tác động đến nhiều quá trình tế bào, bằng cách khuếch đại tín hiệu. Phân tử cAMP là một nucleotide vòng nhỏ tạo ra từ ATP. Enzyme adenylyl cyclase tạo ra cAMP dùng ATP làm cơ chất (hình 14.17). Adenylyl cyclase đ ược ho ạt hóa ti ểu ph ần protein G đã hoạt hóa (activated G protein subunit). Tương tự các thông điệp thứ cấp khác, cAMP không phải là enzyme. Chúng tác động như các đồng yếu tố (cofactors) hay chất điều hòa dị lập thể (allosteric regulators) của các protein mục tiêu. cAMP có hai lọai mục tiêu chủ yếu: các kênh ion và các protein kinase. a. Tác động của Adenyl cyclase b. Từ ATP tạo c-AMP Hình 14.17. Sự hình thành cAMP Phospholipid có thể bị thủy giải thành các cấu phần (components) có tác động như thông điệp thứ cấp. Phosphatidyl inositol-bisphosphate (PIP2) bị thủy giải thành inositol triphosphate (IP3) and diacylglycerol (DAG) (hình 14.18). Mỗi một của hai phần này thành thông điệp thứ cấp : IP3 di 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 Các phiến của lưới nội chất trơn Trong tế bào Kênh Ca2+ Ca2+ cao 15
Hình 14.18. Hệ thống thông điệp thứ cấp IP3 và DAG 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 tích c ực, c ả đi ra kh ỏi 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, k ể c ả protein kinase C. Ca2+ cũng gắn vào các protein kênh Ca2+, kích hoạt sự phóng thích bổ sung Ca2+. Ion calcium gắn vào calmodulin (tên gọi protein gắn calcium), mà nó có thể ho ạt hóa m ột số protein nhất định. Khí nitric oxide (NO) đã được phát hiện là thông điệp thứ cấp bởi các nhà khoa học nghiên cứu các hiệu ứng của acetylcholine, chất gây giãn cơ trơn của mạch máu. Acetylcholine kích thích con đường IP3 tạo ra dòng đi vào của Ca2+, mà nó dẫn đến gia tăng mức thông đi ệp th ứ cấp khác là cGMP. Thông điệp này kích thích kinase cascade dẫn đến giãn cơ. Tuy nhiên, con đường trao đổi chất này không hoạt động trong mô động m ạch cô l ập, do thiếu bao biểu bì (endothelial lining). Đã phát hiện ra rằng NO, được tạo ra do các t ế bào bi ểu bì, cũng c ần thi ết. Acetylcholine làm tăng mức Ca2+ trong các tế bào biểu bì, chúng làm hoạt hóa NO synthase là enzyme tạo NO. NO khuếch tán nhanh từ các tế bào biểu bì đến các t ế bào c ơ tr ơn k ế c ận. Trong các tế bào cơ trơn, NO hoạt hóa enzyme guanylyl cyclase, mà enzyme này kích thích sự hình thành cGMP (hình 14.19). Các tế bào phải điều hòa hoạt tính của các transducer. NO không bền vững và bị phân hủy nhanh, do vậy NO được điều hòa bởi nó được tạo ra nhi ều bao nhiêu. Các n ồng đ ộ Ca 2+ được hồi phục bởi các cơ chế như các bơm của màng (membrane pumps) và các kênh ion. Các protein kinase cascade bị gián đoạn bởi các protein phosphatase loại bỏ các phosphate đã được gắn thêm, làm bất hoạt (deactivating) các kinase. Các GTPase làm bất hoạt G protein bởi chuyển đổi GTP thành GDP. Cả hai cAMP và cGMP đ ều chuy ển thành AMP và GMP b ằng các phosphodiesterase tương ứng với chúng. Tế bào biểu bì Tế bào cơ trơn Hình 14.19. Nitric Oxide là messenger thứ cấp 3. Năm con đường tín hiệu nội bào song song đ ược ho ạt hóa b ởi các GPCR ho ặc RTK, hay cả hai. Ví dụ có tính giả thuyết này (hình 14.20) cho thấy sự phức tạp và đan chéo nhau của các con đường truyền tín hiệu trong tế bào. Năm kinase ở cuối của mỗi con đường tín hiệu phosphoryl hóa các protein mục tiêu, mà nhiều trong số đó được phosphoryl hóa bởi nhiều hơn một kinase. Phospholipase C được hoạt hóa bởi hai kiểu receptor thì có khác. Các GPCR hoạt hóa PLCβ, trong khi các RTK hoạt hóa PLCγ (không nêu). Mặc dù không nêu, một số GPCR cũng có thể hoạt hóa Ras, nhưng chúng thực hiện việc này độc lập với Grb2 thông qua (via) Ras-GEF sao cho được hoạt hóa bởi Ca2+ và diacylglycerol. Phân tử tín hiệu 16
Các protein điều hòa gen Các protein m ục tiêu Hình 14.20. Năm con đường nội bào song song Chú thích : Grb2 - , PI 3-kinase -, IP3 -, Ras–GEF (Sos), MAP, PDK1, PKA, CaM-kinase, PKC, Akt kinase 4. Các hiệu ứng tín hiệu : những biến đổi trong chức năng tế bào Các hiệu ứng tín hiệu (Signal effects) có thể bao gồm :  Sự mở các kênh màng.  Thay đổi hoạt tính enzyme.  Những khác biệt trong phiên mã gen. Các tế bào thần kinh cảm giác của các giác quan được kích thích thông qua việc mở các kênh ion. Mỗi một trong hàng nghìn tế bào thần kinh của trong mũi biểu hiện đúng một trong các thụ thể đó. Khi phân tử mùi gắn vào thụ thể của chúng, G protein trở nên có hoạt tính, nó dẫn đến sự hình thành thông điệp thứ cấp, 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 Bên ngoài tế bào Xoan mũi 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 mở kênh ion a. Tạo cAMP. b.Làm mở kênh cho ion vào trong tế bào. Các hiệu ứng của epinephrine lên các tế bào gan làm ho ạt tính enzyme thay đ ổi. S ự gắn của epinephrine vào thụ thể gắn-protein G gây ra sự tổng hợp cAMP, mà đến lượt nó khởi sự hàng loạt các phản ứng kinase (hình 14.22, 14.23). Hai enzyme bị thay đổi là:  Glycogen synthase bị mất hoạt tính do sự phosphoryl hóa.  Glycogen phosphorylase được hoạt hóa, khi xúc tác sự tách glucose khỏi glycogen. Ngoài tế bào Tiểu phần protein G hoạt hóa Adenylyl cyclase hoạt hóa Glycogen synthase hoạt động Glycogen sunthase bất hoạt Protein kinase A bất hoạt Protein kinase A hoạt động Phosphorylase kinase Phosphorylase kinase bất hoạt hoạt động Hình 14.22. Các phản ứng chuôi bậc thang (cascade) làm hoạt tính enzyme biến đ ổi 18
Glycogen phosphorylase bất hoạt Glycogen phosphorylase bất hoạt Trong tế Màng sinh chất bào Bên ngoài tế bào Phóng thích glucose Hình 14.23. Các phản ứng chuôi bậc thang (cascade) làm hoạt tính enzyme biến đ ổi (ti ếp theo) Các thụ thể màng sinh chất tham gia vào khởi sự hàng loạt các phản ứng đáp trả biểu hiện gen. Các con đường tín hiệu Ras kết thúc trong nhân, nơi các gen thực hiện phân bào được phiên mã. Các hormone steroid gắn vào receptor trong tế bào chất, chúng ảnh hưởng đến sự phiên mã gen. Bảng 14.2 cho thấy tác động của hàng loạt hormone đến các mô và các ph ản ứng đáp tr ả tương ứng. Bảng 14.2. Các phản ứng đáp trả của một số tế bào cảm ứng hormone qua trung gian c-AMP vòng MÔ MỤC TIÊU ĐÁP TRẢ CHỦ YẾU HORMONE Tuyến giáp TSH: hormone-kích thích tuyến giáp Tổng hợp hormone thyroid và tiết ra Adrenocorticotrophic hormone (ACTH) Vỏ thương thận Hormone thể vàng (LH) Tiết cortisol Adrenaline Buồng trứng Tiết progesterone Parathormone Cơ Phân hủy glycogen Adrenaline Tủy …Tủy xương Glucagon Tăng tốc độ tim và ép co Tim Vasopressin cơ Gan Adrenaline, ACTH, glucagon, TSH Thận Phân hủy glycogen Mỡ ….nước Phân hủy triglyceride Ở thực vật, ánh sáng hoạt hóa phytochrome, mà lúc này gắn vào các protein điều hòa ở tế bào chất. Chúng di chuyển vào nhân và ảnh hưởng các gen dẫn đến tổng hợp lục lạp. Một số tế bào gởi các tín hiệu trực tiếp từ bên trong chúng sang bên trong c ủa các t ế 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 nhiệm vụ. Tuy nhiên, mỗi tế bào riêng biệt chỉ sử dụng một phần của nguồn dự trữ di truyền vốn có của một sinh vật. Một loạt các tín hiệu ngoại bào về hormone, trao đổi chất, phát triển và môi trường ảnh hưởng đến các gen mà tế bào sử dụng ở một thời điểm nhất định nào đó trong đời sống của chúng. Như đã nêu ở hình 14.7 và giải thích trên bảng 14.1 (ở trên), bảy kiểu receptor xuyên màng chủ yếu đều có tác động cuối cùng đến sự biểu hiện gen. Ngoài ra, còn có siêu họ 19
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 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 family) các receptor gắn vào DNA tế bào, mà đa phần là các receptor hormone (hình 14.24). Tất cả các receptor này gắn vào DNA ở homodimer (đồng lưỡng phân – 2 nucleotide giống nhau) hay heterodimer (dị lưỡng phân – 2 nucleotide khác nhau), nhưng để đơn gản hóa ở đây nêu chúng như các đơn phân (monomers). Tất cả các receptor này có cấu trúc họ hàng (related structure). Ở đây, domain ngắn gắn-DNA trong mỗi receptor được ghi dấu. Domain gắn-DNA Hình 14.24. Siêu họ các receptor nhân tế bào Protein receptor ở trạng thái bất hoạt khi gắn vào các protein kìm hãm (hình 25a). Các thí nghiệm trao đổi domain (domain-swap) cho rằng nhiều sự gắn-ligand (ligand-binding), hoạt hóa-phiên mã (transcription-activating) và các domain gắn DNA trong các receptor đó có thể thực hiện chức năng như những module chuyển đổi qua lại (interchangable). Sự hoạt hóa thụ thể: Trường hợp điển hình, sự gắn ligand vào thụ thể làm cho domain gắn-DNA của thụ thể gập lại (clamp shut) quanh ligand, các protein kìm hãm tách ra, và các protein đồng hoạt hóa (coactivator proteins) gắn vào domain hoạt hóa-phiên mã của receptor (receptor’s transcription-activating domain), do vậy gia tăng sự phiên mã gen (hình 25b). Trong các trường hợp khác, sự gắn ligand có hiệu ứng ngược lại làm cho các protein đồng kìm hãm (co-repressor) gắn vào receptor, do vậy giảm phiên mã. Dù không nêu ở đây, hoạt tính cũng có thể kiểm soát theo biến đổi ở vi trí thụ thể: trong dạng bất hoạt của chúng, nó có thể ở lại trong tế bào chất; sự gắn ligand dẫn đến mở các tín hiệu nằm trong nhân làm chúng xâm nhập vào nhân tác động đến DNA. 20