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

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.. – Sự

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

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)

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

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

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

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, 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 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

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 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 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 Ca2+ 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 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)

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)

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-

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

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

phút đến nhiều giờ)

Hình 14.8 Hai kiểu tác động của các phân tử tín hiệu ngoại bào

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

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 IP3) 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

Protein effector

Chất phản ứng Sản phẩm

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 hiệu ngoại bào Tốc độ thuỷ giải GTP điều hoà độ dài thời gian protein công tắc còn ở dạng cấu hình hoạt động và có thể 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 cả 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, cả hai nhóm protein gắn-GTP này được điều 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 của cơ thể với stress, như hoảng sợ hay làm việc quá sức, khi tất cả các mô cần thoái dưỡng nhiều glucose và acid béo nhằm sản sinh ATP Nguồn nhiên liệu trao đổi chất chủ yếu này có thể cung cấp 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 cơ, 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, receptorα2-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 ngoại vi Những tác động 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

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 được quan tâm vì chúng

kích hoạt các con đường dịch chuyển tín hiệu nội bào khác nhau Cả hai kiểu 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 Gsα vẫn còn ở trạng thái kích hoạt, liên tục hoạt hoá adenylyl cyclase mà không có sự 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 nội bào gia tăng quá mức làm mất chất điện giải và nước trong khoang ruột, gây bệnh tiêu chảy nước đặc trưng cho sự nhiễm bởi 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 kết với các thụ thể khác, nhưng

cả hai receptor này đều tương tác với và hoạt hóa Gs, mà nó hoạt hóa adenylyl cyclase, do đó kích hoạt cùng chính các phản ứng biến dưỡng đáp lại Sự hoạt hóa adenylyl cyclase và do đó nồng độ cAMP, tỉ lệ với tổng nồng độ Gsα.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 tế bào mỡ bằng epinephrine, glucagon, hay ACTH (Adrenocorticotrophic hormone) làm hoạt 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 hiệu 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)

Hình 14.13 Kênh ion cổng trường hợp Acetylcholine (Ach)

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

Ngoài tế bào

Trong tế bào