Trong quá trình này tế bào lympho B non sắp xếp các gen của immunoglobulin bao gồm gen V variable gene, gen D diversity gene và gen J joining gene để tạo ra tổ hợp VDJ gen liên kết với v
Trang 1Activation-Induced Cytidine deaminase (AID) - phát minh
mới về cơ chế phân tử của quá trình tổng hợp kháng thể
TS Tạ Thành Văn
Bộ môn Hóa-Hóa sinh - Trường Đại học Y Hà Nội
Giới thiệu chung
Một trong những bất ngờ của sự kiện hoàn
tất bản đồ gen người là bộ gen người chỉ chứa
đựng khoảng 30.000 gen và điều đặc biệt là con
số này chỉ gấp đôi so với số gen của ruồi dấm
và côn trùng [1] Với một lượng gen nhỏ như vậy
rất khó lý giải cho các quá trình sinh học tinh vi
của loài người, đặc biệt là hoạt động của hệ
thần kinh và hệ miễn dịch Một lời giải thích có
sức thuyết phục hơn cả cho mối tương quan
giữa số lượng gen với các quá trình sinh học tinh
tế và phức tạp của con người là: Sự biến đổi các
thông tin di truyền diễn ra ngay sau khi con
người được sinh Điều này có nghĩa rằng bộ gen
người không phải là bất biến mà nó tương tự
như một bức tranh sinh động của cuộc sống
luôn biến đổi [2]
Tại hệ miễn dịch, một loạt biến đổi về
thông tin di truyền được diễn ra trong suốt quá
trình biệt hóa của các tế bào lympho Quá
trình tạo kháng thể bao gồm hai giai đoạn kế
tiếp nhau Giai đoạn một là giai đoạn không
phụ thuộc kháng nguyên và tế bào lympho T
Giai đoạn này xảy ra ở gan bào thai và tủy
xương, được lập trình và điều hòa một cách
nghiêm ngặt bởi các cytokine Trong quá trình
này tế bào lympho B non sắp xếp các gen
của immunoglobulin bao gồm gen V (variable
gene), gen D (diversity gene) và gen J
(joining gene) để tạo ra tổ hợp VDJ gen liên
kết với vùng gen không biến đổi Cà Cũng
chính từ đây tổ hợp gen mã hóa quá trình sinh
tổng hợp IgM đã được thiết lập Giai đoạn hai
là giai đoạn phụ thuộc kháng nguyên và tế
bào lympho T Quá trình này xảy ra ở tổ chức
lympho ngoại vi Sau khi tiếp xúc với kháng
nguyên, tế bào lympho B phân chia để hình
thành cấu trúc lympho ngoại vi đặc biệt
(germinal center) Chính tại siêu cấu trúc này, hai quá trình biến đổi của gen immonoglobulin
đã xảy ra bao gồm: 1) Quá trình tái tổ hợp gen (class switch recombination viết tắt là CSR) và quá trình siêu đột biến (somatic hypermutation viết tắt là SHM) CSR thay thế gen CH của immunoglobulin tổng hợp IgM (Cà) bằng các gen Cγ, Cε hoặc Cα (là các gen quy định tổng hợp IgG, IgE và IgA) để chuyển quá trình tổng hợp IgM sang tổng hợp IgG, IgE hoặc IgA mà không thay đổi tính đặc hiệu kháng nguyên SMH xảy ra trên gen V của chuỗi nặng (H chain) và chuỗi nhẹ (L chain) Quá trình này tạo ra các đột biến điểm với số lượng cao đến hàng triệu lần so với bình thường Quá trình đột biến một cách chọn lọc này đã tạo ra một thế hệ kháng thể
có ái lực cao với kháng nguyên Do vậy CSR
và SHM tạo ra các sản phẩm hoàn toàn khác hẳn nhau, từ các cơ chất là ADN cũng khác hẳn nhau Chính vì vậy CSR và SHM được coi
là hai quá trình có cơ chế phân tử hoàn toàn khác biệt Tuy nhiên sự phát hiện ra
activation-induced cytidine deaminase (AID),
enzyme xúc tác sự loại bỏ gốc amine của cytidine bởi nhóm nghiên cứu của Honjo, T (1999) đã xóa bỏ hoàn toàn quan niệm này Cho đến nay AID được coi là cầu nối duy nhất giữa CSR và SHM
AID, phát minh mới trong miễn dịch học
1 Quá trình phát hiện ra AID
Bằng kỹ thuật thiết lập thư viện ADN bổ sung (cDNA library) để phân tích và so sánh
sự khác biệt giữa các gen của dòng tế bào lympho CH12F3-2 trước và sau khi kích thích bởi các cytokine TGF-β, IL-4 và CD40L (nhằm tạo ra quá trình CSR), nhóm nghiên cứu của
Trang 2Honjo, T đã phát hiện ra AID [3] Lượng ARN
thông tin (mARN) của AID trong tế bào
CH12F3-2 có CSR cao gấp 10 lần so với các
tế bào không có CSR Gen AID có chiều dài
1,2-kb mã hóa 198 amino acid với trọng lượng
phân tử khoảng 24 kDa Gen AID của người
và chuột giống nhau đến 98%, nằm ở vị trí
12p13 trên nhiễm sắc thể và điều đặc biệt là
chúng giống gen APOBEC-1 của chuột đến
30% trong đó trung tâm hoạt động
(deaminase motif) của ba gen trên hầu như
giống nhau hoàn toàn Dựa trên cơ sở này các nhà khoa học đã xác định AID có hoạt tính deaminase để chuyển C (cytosine) thành
U (uridine) trong cấu trúc điển hình WRCY (R=G hoặc A, Y=T hoặc C, W=A hoặc T) [3]
Từ đây một giả thuyết cho cơ chế hoạt động của AID đã được đề xuất trong đó AID tác dụng trực tiếp vào các mRNA bằng chính hoạt tính deaminase của mình, mà các mRNA đó thì mã hóa các protein enzyme xúc tác cho các quá trình CSR và SHM [2]
Hình 1 Quá trình tái tổ hợp các gen trên chuỗi nặng của immunoglobulin
Vị trí các gen trên chuỗi nặng của
immunoglobulin chuột bao gồm: hình ô vuông
và hình bầu dục là exons và vùng gen công
tắc (S) Quá trình tổ hợp các gen V, D và J
xảy ra ở tủy xương trong khi SHM và CSR xảy
ra ở các tổ chức lympho ngoại vi Quá trình tổ
hợp các gen V, D và J đã chọn lựa mỗi loại
chỉ một gen để tạo ra một gen tổ hợp (V) cho
tế bào lympho B SHM tạo ra các đột biến
trên gen tố hợp V nhằm tạo ra dòng tế bào
lympho B có khả năng tạo ra kháng thể có ái
lực cao với kháng nguyên CSR tái tổ hợp gen
V với các gen C khác nhau bằng cách cắt bỏ các gen nằm giữa hai gen công tắc (S) ADN cắt bỏ tạo thành AND vòng
2 Giả thiết về cơ chế hoạt động của AID trong quá trình tái tổ hợp gen immunoglobulin
AID được đánh giá là lĩnh vực nóng bỏng nhất trong các ngành Y Sinh học trong vòng ba năm trở lại đây Tính từ khi được phát hiện vào năm
1999 đến nay trên thế giới đã có trên 150 công
To hop gen VDJ
n
R)
dot bien cho
san pham trung gian gen V
dot bien
ADN vo`ng tu do
VH D JH Cà Cδ Cγ3 Cγ1 Cγ2b Cγ2a Cε Cα
S
Tủy
xương
san pham gen sau ta'i to hop
Tổ hợp gen VDJ
Sản phẩm gen sau tỏi tổ hợp
ADN vũng tự do
Đột biến chọn lọc (SHM)
Tỏi tổ hợp gen (CSR)
T ổ chức
lympho
ngoại
vi
Sản phẩm trung gian Gen V
đột biến
Trang 3trình khoa học liên quan đến AID đã được công
bố trên các tạp chí khoa học nổi tiếng nhất Các
nhà khoa học đang cố gắng tìm ra cơ chế phân
tử của AID trong việc điều hòa hai quá trình CSR
và SHM đồng thời tìm hiểu nguồn gốc và cơ chế
của một số bệnh miễn dịch bẩm sinh liên quan
đến AID để từ đó nghiên cứu ứng dụng trong
điều trị Hiện nay có hai giả thuyết về cơ chế hoạt
động của AID Honjo, T và cộng sự cho rằng
AID đóng vai trò như APOBEC-1, trong đó AID
tác động trực tiếp lên các mRNA mà các mARN
này mã hóa tổng hợp các protein enzyme xúc
tác hai quá trình CSR và SHM [2, 4, 7] Một số
nhóm khác lại chứng minh rằng AID tấn công
trực tiếp lên ADN bằng hoạt tính deaminase để
chuyển C thành U tại vùng gen S (switch gene),
tại điểm này chuỗi ADN bị bẻ gẫy và sau đó nhờ
hệ thống enzyme sửa chữa (N.H.E.J.) để nối lại
hai đầu gen tự do [5, 6] Các nhóm đều đưa ra
các bằng chứng thuyết phục để chứng minh cho
giả thuyết của mình Tuy nhiên có một điểm
chung mà cả hai giả thuyết đều khẳng định là vai
trò quyết định của AID trong CSR và SHM thông
qua hoạt tính deaminase
3 Đột biến gen AID gây hội chứng tăng
IgM bẩm sinh trên người
Vai trò của AID trong hội chứng tăng IgM
bẩm sinh type 2 ở người lần đầu tiên được
công bố bởi công trình nghiên cứu phối hợp
giữa nhóm nghiên cứu của Honjo, T và các
cộng sự người Pháp Các dạng đột biến của
gen AID bẩm sinh bao gồm các đột biến
điểm, cắt hoặc thêm đoạn nucleotide Các
bệnh nhân này đều nhập viện với các triệu
chứng lâm sàng của nhiễm trùng kéo dài như
viêm phổi, ỉa chảy Xét nghiệm máu của các
bệnh nhân này thấy lượng IgM tăng cao hàng
chục, hàng trăm lần so với bình thường trong
khi nồng độ IgA, IgE và IgG lại rất thấp, thậm
chí không phát hiện được SHM của gen
immunoglobulin giảm đáng kể hoặc không có
Kết quả giải phẫu bệnh cho thấy lách to, các
hạch lympho phì đại và không có cấu trúc
lympho siêu vi Tạ Thành Văn và cộng sự đã
đưa các gen AID đột biến này vào hệ
retrovirus vector sau đó gây nhiễm vào tế bào
lympho B của chuột nhắt đã bị loại bỏ gen AID (AID knock out mice) và dòng tế bào sợi NIH3T3 mang gen cơ chất cho SHM (mutated GFP gene) để nghiên cứu quá trình CSR và
SHM in vitro [7] Kết quả cho thấy đại đa số
các gen AID đột biến mất cả hai hoạt tính CSR và SHM Tuy nhiên gen AID đột biến tại
17 acid amin đầu C tận vẫn duy trì hoạt tính SHM trong đó CSR hoàn toàn bị loại bỏ [7, 8]
Sử dụng kỹ thuật tủa miễn dịch (immuno-precipitation) kết hợp với Western blot, tác giả
đã đưa ra bằng chứng khẳng định thể hoạt
động của AID là dimer hoặc multimer Bằng siêu ly tâm phân tích sử dụng dòng tế bào NIH3T3 chuột tổng hợp AID của người được kết hợp với một phần của estrogen receptor (ER) trong đó quá trình tổng hợp và hoạt hóa AID-ER được điều hòa bởi tetracycline promoter và 4-hydroxytamoxifen thông qua estrogen receptor, Tạ Thành Văn và cộng sự lần đầu tiên đã chứng minh thể hoạt động của AID là một phức hợp có trọng lượng phân tử rất lớn (3000 kDa) mà trong thành phần có mRNA và HS 90 (heat shock protein 90) các co-factor và các protein khác Phát hiện này
có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu cơ chế hoạt động phân tử của AID
4 Hướng nghiên cứu hiện nay về AID
và triển vọng
Sự phát minh ra AID thực sự đã tạo ra một bước đột phá trong miễn dịch học AID đóng vai trò như là một enzyme chìa khóa trong quá trình sinh tổng hợp các kháng thể Do vậy việc nghiên cứu tìm ra cơ chế điều hoà hoạt
động của AID, thông qua đó điều hoà quá trình tổng hợp các kháng thể sẽ đem lại một ích lợi vô cùng lớn trong Y học Chính vì vậy các nhà khoa học trên thế giới đang đi sâu nghiên cứu nhằm tìm ra:
- Cơ chế hoạt động phân tử của AID, cụ thể nghiên cứu xác định cơ chất mà AID xúc tác là ADN hay ARN
- Co-factor tham gia vào quá trình xúc tác của AID
Trang 4
- Liệu pháp điều trị gen cho các bệnh nhân đột
biến AID (hội chứng tăng IgM bẩm sinh type 2)
- Thể bất hoạt của AID (dominant negative
form) có tác dụng ức chế AID in vivo thông
qua đó ức chế quá trình sinh tổng hợp từng
dòng kháng thể khác nhau Điều này cú thể
đưa đến việc nghiờn cứu ứng dụng trong lâm
sàng (ví dụ ức chế sự tổng hợp IgE trong điều
trị các bệnh dị ứng)
Tài liệu tham khảo
1 Venter, J C., Adams, M D., Myers,
E W et al The sequence of the human
genome Science 291, 1304-1351, (2001)
2 Honjo, T., Kinoshita, K., Muramatsu,
M Molecular mechanism of class switch
recombination: linkage with somatic
hypermutation Ann Rev Immunol 20,
165-196 (2002)
3 Muramatsu, M., Sankaranand, V S.,
Anant, S et al Specific expression of
activation-induced cytidine deaminase (AID),
a novel member of the RNA-editing
deaminase family in germinal center B cells
J Biol Chem 274, 18470-18476 (1999)
4 Doi, T., Kinoshita, K., Ikegawa, M.,
Muramatsu, M & Honjo, T De novo protein
synthesis is required for the
activation-induced cytidine deaminase function in
class-switch recombination Proc Natl Acad Sci
USA 100, 2634-2638 (2003).Petersen-Mahrt,
S K., Harris, R S & Neuberger, M S AID mutates E coli suggesting a DNA deamination mechanism for antibody
diversification Nature 418, 99-103 (2002)
5 Dickerson, S K., Market, E., Besmer,
E & Papavasiliou, F N AID mediates hypermutation by deaminating single
stranded DNA J Exp Med.197, 1291-1296
(2003)
6 Van-Thanh, T., Nagaoka, H., Honjo,
T et al AID mutant analyses imply requirement of class switch specific
cofactor(s) Nature Immunology 4, 843-848
(2003)
7 Van-Thanh, Ta and Honjo, T Response to “Domain organization of activation-induced cytidine deaminase”
Nature Immunology 4 (12), 1154 (2003)
(Bài viết được thực hiện tại Bộ mụn Húa Y học và Sinh học phõn tử, Khoa Y, Trường Đại học Kyoto, Nhật Bản)
Summary
Activation-Induced Cytidine deaminase (AID) - a new discovery
of molecular mechanism for immunoglobulin synthesis
The immune system takes advantage of genetic alteration to amplify its diversity During early states of T and B lymphocyte differentiation, V(D)J recombination takes place to assemble variable (V), diversity (D) and joining (J) segments of the V exon of the T cells receptor and immunoglobulin gene In the later states, antigen stimulation of mature IgM B lymphocytes induces two additional genetic alteration events, namely class switch recombination (CSR) and somatic hypermutation
(SHM) in which activation-induced cytidine deaminase (AID) has been known to be essential Human
AID gene is mapped to chromosome 12p13 and encodes 198 amino acids AID deficiency causes the hyper-IgM syndrome (HIGM2) characterized by normal or elevated serum IgM levels with absence of IgG, IgA and IgE Studies on AID mutations in HIGM2 syndrome have revealed that loss-of-function mutations are scattered in the entire 198 residues The mutations of the C-terminal domain of human
AID resulted in loss-of-function of CSR, but retained SHM and E-coli mutagenesis activities In
Trang 5addition, active AID forms multimer and huge complex including target mRNA, co-factors and some other proteins
