Quá trình sinh trưởng và phát triển của tế bào và cơ thể sinh vật được sự kiểm soát chặt chẽ và điều khiển bởi các hệ thống gene trong tế bào (bao gồm các gen trong nhân và gene ngoài nhân). Đa số các tế bào đã biệt hoá của cơ thể sinh trưởng trong một giới hạn nhất định. Ở các loài sinh vật có quá trình lão hoá, tế bào được phân chia một số lần rồi dừng lại, ở một số loại tế bào thì sự phân chia không được diễn ra trong cả quá trình sống. Các tế bào ở giai đoạn lão hoá sẽ chuyển sang dạng chết. Cái chết của tế bào có hai loại : chết theo chu trình (apoptosis) và chết hoại tử (necrosis). Apoptosis hoặc sự chết của tế bào theo chương trình là một quá trình mà nhờ nó mà các tế bào già, hỏng, không bình thường sẽ bị loại trừ khỏi cơ thể. Khi một tế bào rơi vào trạng thái apoptosis thì nó sẽ có những sự thay đổi về mặt hình thái cũng như về mặt sinh hoá:
Tiểu luận Sinh học Lão hoá Phần 1: Apoptosis và sự lão hoá Quá trình sinh trưởng và phát triển của tế bào và cơ thể sinh vật được sự kiểm soát chặt chẽ và điều khiển bởi các hệ thống gene trong tế bào (bao gồm các gen trong nhân và gene ngoài nhân). Đa số các tế bào đã biệt hoá của cơ thể sinh trưởng trong một giới hạn nhất định. Ở các loài sinh vật có quá trình lão hoá, tế bào được phân chia một số lần rồi dừng lại, ở một số loại tế bào thì sự phân chia không được diễn ra trong cả quá trình sống. Các tế bào ở giai đoạn lão hoá sẽ chuyển sang dạng chết. Cái chết của tế bào có hai loại : chết theo chu trình (apoptosis) và chết hoại tử (necrosis). Apoptosis hoặc sự chết của tế bào theo chương trình là một quá trình mà nhờ nó mà các tế bào già, hỏng, không bình thường sẽ bị loại trừ khỏi cơ thể. Khi một tế bào rơi vào trạng thái apoptosis thì nó sẽ có những sự thay đổi về mặt hình thái cũng như về mặt sinh hoá: •Mất cấu trúc bề mặt tế bào •Tế bào co lại và thay đổi hình dạng •Tế bào chất và nhân đậm đặc •Những thay đổi về màng nhân •Sự phân mảnh nhân •Hình thành thể apoptotic Và quá trình apoptosis diễn ra theo 2 con đường chính đó là: thông qua ti thể và thông qua receptor chết (death receptor): Bảng 1: Apoptic signals Receptor Ligands Adaptors Targets Fas/CD95 Apo1 Fas-L Apo-IL FADD/ MORT1 Pro casp 8, Apoptosis TNF-R1 TNF-alfa TRADD, FADD Pro-casp 8 Apoptosis TN-R1 TNF-alfa TRDD/RIP/TRAF2 MEKK, jun/Ap1 NFB Cell proliferation inflamation TNFR2 TNF alfa TRAF2/ TRF1 MEKK,IKK,NFkB Cell proliferation inflamation DR3,4,5 Trail APO-2L FADD Pro cas8 Apoptosis DCR1-3 TRAIL/APO2L None Decoy receptor Ligand sequestration 1 Tiểu luận Sinh học Lão hoá TRDD= TNF(Tumor Necrosis Factor) receptor associate death domain. RIP= Receptor interacting protein. TRAF = TNF receptor associated factor. TRAIL = TNF related apoptosis inducing ligands. Có hai quá trình chính tham gia vào sự lão hoá đó là: quá trình ngắn dần của các telomere và sự tấn công của các gốc tự do.Ty thể là nơi mà các gốc tự do được vận chuyển và chuyển hoá thông qua chuỗi vận chuyển điện tử. Từ đó mà các gốc tự do tác động mạnh trở lại, chúng có thể tương tác với các phân tử DNA hoặc protein và làm thay đổi chức năng trong tế bào. Đích cuối cùng của sự tác động này chính là kênh VDAC ( voltage dependent anion chanel), nhân tố giữ vai trò trung tâm trong quá trình apoptosis thông qua ti thể. Ở đây Cytocrom C giữ vai trò đặc biệt quan trọng. Cytocrom C và các phân tử nhỏ khác có thể đi qua MPTP (mitochondrial permeability transition pore) bao gồm VADC trong các màng vòng ngoài, thay đổi vị trí của nucleotit Adenin (ANT- adenine nucleotide translocator) ở màng bên trong, và có một vài protein bổ trợ đó là các protein họ Bcl-2 tham gia vào quá trình apopotosis (hình 1). Hình 1: Sơ đồ quá trình Apoptosis thông qua ty thể Các protein họ Bcl-2 (B-cell lymphoma 2) có thể phân làm 3 nhóm: 2 Tiểu luận Sinh học Lão hoá - Anti - apoptotic: chúng có trình tự tương đồng tại các domain BH1, BH2, BH3 và BH4 (BH = Bcl-2 homology), ví dụ như các Bcl-2và các Bcl-x L . - Các pro – apoptotic: chúng có trình tự tương đồng tại các domain BH1, BH2 và BH3. Ví dụ như Bax và Bak(Bcl-2 homologous antagonist killer) - BH3 – only proteins: chúng là các pro –apoptotic nhưng chỉ có trình tự tương đồng ở domain BH3. Ví dụ như Bid, Bik và Bim BAX_protein BID_protein Cơ chế con đường apoptosis với sự tham gia của Bcl-2 được mô tả ở hình 2 : 3 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 2: Cơ chế quá trình Apoptosis của tế bào Con đường thông qua ty thể được kích hoạt bởi các yếu tố như shock nhiệt, sự tổn thương DNA. Trong trường hợp này có sự tham gia của p53 là sản phẩm của gen ức chế ung thư TP53 có chức năng dừng chu trình tế bào khi ADN có sai hỏng để ADN được sửa chửa hoặc nếu ADN không thể sửa chửa được thì p53 hoạt hóa một số gen gây chết tế bào theo chưng trình, những gen này sẽ làm giải phóng cytocrom C trong ty thể gây chết tế bào. Sau khi nhận được tín hiệu stress thì những protein tham gia vào quá trình apoptoisis và BAX, BID gắn lên màng ngoài của ti thể để truyền tín hiệu cho một số quá trình phức tạp khác. Và kết quả là sự phóng thich Cytochrome C ra khỏi ti 4 Tiểu luận Sinh học Lão hoá thể. Sau đó Cytochrome C sẽ kết hợp với 1 protein khác là Apaf-1 (Apoptotic protease activating factor 1) và ATP để hình thành một phức hợp protein trong cytoplasm, phức hợp này sẽ hoạt hoá caspase-9, một protease đóng vai trò quan trọng trong quá trình khởi sự apoptosis. Và việc kích hoạt caspase-9 hoạt động cùng với phức hợp của Cytochrome C, ATP và Apaf-1 để tạo thành một apoptosome. Và thể apoptosome này lại tiếp tục kích hoạt caspase-3, một loại protease tham gia vào quá trình phân mảnh DNA. Toàn bộ quá trình này được mô tả tóm tắt theo hình 3: Hình 3: Các giai đoạn của quá trình apoptosis Và kết quả của những sự kiện trên dẫn đến sự phân mảnh DNA, màng tế bào bị biến dạng, tế bào chất và nhân co lại dẫn tới cái chết của tế bào theo chu trình. 5 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Trong quá trình gây chết này cần xác định vai trò của p53 tác động để giải phóng histon1 ra khỏi tế bào chất, điều này có vai trò gì trong sự chết tế bào? Các Histon 1 đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu apoptosis từ nhân ra tế bào chất. Phóng xạ tia X gây ra sự tổn thương DNA, dẫn đến hoạt hóa p53, cảm ứng sự giải phóng cyctochrome C của ty thể (sau đó hoạt hóa caspase cascade) thông qua hoạt động Histon H1.Tuy nhiên, Konishi và cộng sự (2003) đã chứng minh Histon H1.2 không hoạt động theo con đường phụ thuộc p53 mà thông qua BAK để hoạt hóa ty thể giải phóng cyctochrome C. Quá trình này được mô tả ở hình 4. Hình 4: Histon H1.2 động theo con đường thông qua BAK 6 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Kiefer và cộng sự (1995) đã chứng minh BAK có cùng chức năng với BAX là tăng sự cảm ứng apoptosis. Konishi (2003) cũng chứng minh được sai hỏng biểu hiện của histon H1.2 trong tế bào T và ruột non tăng khả năng kháng apoptosis khi bị kích thích bởi phóng xạ tia X. Các nghiên cứu chỉ ra rằng domain BH4 cần cho hoạt hoá anti –apoptotic và domain BH3 là quan trọng và đặc biệt cần thiết cho quá trinhf hoạt hoá pro- apoptotic. Cả hai loại Bcl-2/Bcl-x L và Bax/Bak tương tác với VADC (chứ không phải với ANT) dẫn đến làm thay đổi tính thấm của màng. Các anti-apoptotic Bcl-2 và Bcl-x L đóng kênh VDAC; các pro-apoptotic Bax và Bak có thể mở kênh VADC dẫn tới giải phóng Cytochrome C. Hoạt động của các BH3-only proteins hiện nay chưa được làm sang tỏ. Các gốc tự do như supeoxit cũng có thể mở kênh VADC, kết quả là dẫn tới qúa trình giải phóng Cytochrome C và tế bào chết. Đây có thể là một cơ chế chính của quá trình lão hoá. Một vài nghiên cứu đã chứng minh sự suy giảm quan trọng của các quá trình nguyên phân của tim và hệ xương trong suốt quá trình lão hoá thông thường. Các gốc tự do và sự ngắn dần của các telomere có thể cùng góp phần vào quá trình lão hoá trong con đường này. Các gốc tự do là nguyên nhân của cái chết tế bào. Dù các tế bào mới có thể sinh sản bằng phân bào, telomere sẽ trở bị ngắn dần ở các thế hệ tế bào tiếp sau (ngoại trừ trường hợp telomerase kéo dài phần telomere). Do vậy, chiều dài của telomere suy giảm dần, và nó sẽ hoạt hoá p53 dẫn đến dừng quá trình phân bào. Do đó, tuổi thọ của các tế bào sẽ không dài hơn ở các tế bào mới được phân chia. 7 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 5: Con đường tín hiệu apoptosis thông qua ty thể 8 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Vai trò của Cytochrome C trong quá trình apoptosis: Cytochrome C nằm trong nhóm nhân tố quan trọng trong các chất oxy hoá của thế giới sinh vật, là thành phần không thể thiếu của sự sống, đồng thời, nó cũng là nhân tố chính khởi động cho cánh cửa của cái chết. Cytochrome C (hình 5) là một protein cổ, phát triển sớm trong sự tiến hoá của sự sống. Chức năng của nó cực kỳ quan trọng và chắc chắn rằng nó hầu như không thay đổi trong hàng triệu năm.Chúng ta có thể thấy được ở tế bào nấm men hay tế bào thực vật, cấu trúc của phân tử Cytochrome C như nhau và hầu như không thể phân biệt được. View larger version (42K): [in this window] [in a new window] Hình 6: Cytochrome C is a carrier of electrons. Like many proteins that carry electrons, a prosthetic group directly handles the electrons. Cytochrome C contains a heme group with an iron ion at the center that accepts and releases electrons easily. The surrounding protein tunes the affinity of the iron ion for electrons, and also directs the docking of Cytochrome C to the two protein complexes that supply and receive the electrons. Atomic coordinates were taken from entry 3cyt at the Protein Data Bank (www.pdb.org). Chức năng của họ Cytochrome C đó là chúng chính là chất mang các điện tử. Chúng nằm trong bước cuối cùng của chuỗi vận chuyển điện tử, tham gia vào quá trình sản sinh năng lượng. Cytochrome C vận chuyển các điện tử trên bề mặt giữa hai lớp màng của ty thể. Chúng nằm ở pha tối, cytochrome và ty thể chính là yếu tố cơ bản của quá trình apoptosis, tín hiệu tế bào bắt đầu cho quá trình chết theo chu trình của tế bào. 9 Tiểu luận Sinh học Lão hoá View larger version (93K): [in this window] [in a new window] Hình 7: Cytochrome C trong apoptosis : Cytochrome C (màu đỏ sáng) giải phóng vào trong tế bào chất qua đáy. Tại đây Cytochrome C kết hợp với Apaf-1 và tích tụ lại trong thể apoptosome. Cuối cùng phức hợp này hoạt hoá protein – cutting caspases và khởi động sự chết của tế bào theo chu trình Apoptosis được diễn ra khi một số sai sót diễn ra trong tế bào: DNA bị phá huỷ, tách rời với các tế bào xung quanh, các nhân tố sinh trưởng bị hỏng, quá trình xâm nhiễm… Tế bào sau đó bắt đầu một hoặc nhiều cascades của protein tín hiệu trải tín hiệu trên khắp tế bào và cho tới khi tế bào tự bị phá huỷ. Apoptosis là vô cùng quan trọng trong nhiều quá trình tự nhiên, ví dụ như quá trình đồng sinh trưởng và chọn lọc loại bỏ bởi hình dạng trong sự phát triển của phôi. Nếu hệ thống bị hỏng, thì có thể đưa tới hệ quả nghiêm trọng, dẫn tới các bệnh thoái hoá nếu vượt quá hoạt động và cho phép sự phát triển của ung thư nếu bị khoá. 10 [...]... nên bền với sự thay đổi của nhiệt độ hơn 13 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 10: Vị trí của các liên kết chéo Một số nghiên cứu đã chứng minh cho thuyết này Liên kết chéo của các protein biểu bì collagen đã chỉ ra là có một phần chịu trách nhiệm của các nếp gấp và sự thay đổi trong tuổi ở biểu mô 14 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 11: Liên kết chéo trong phân tử collagen 15 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình... mtDNA and nDNA Repair Enzymes/Proteins 30 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 21: So sánh sự tham gia của các enzymes sửa chữa DNA ở ty thể và nhân Kết luận 1 Các tế bào trong cơ thể sau khi bị lão hoá sẽ chết theo hai dạng khác nhau: chết hoại tử và chết theo chu trình 31 Tiểu luận Sinh học Lão hoá 2 Chết theo chu trình tế bào diễn ra theo một cơ chế phức tạp, có sự tham gia của nhiều yếu tố, trong đó ty... tới 2 dạng: đột biến và sự phá huỷ của DNA Một phân tích chứng minh rằng chúng có sự khác biệt: đó là sự tồn tại hay phá huỷ của phân tử DNA phụ thuộc vào mức độ tương tác và khả năng sửa chữa của phân tử DNA với các tác nhân gây đột biến Sự thay thế của một Thymine bằng một Adenine sẽ dẫn tới một đột biến, từ đó thiếu một Adenine hoặc sự methyl hoá của 20 Tiểu luận Sinh học Lão hoá một Guanine sẽ dẫn... Sinh học Lão hoá Non Homologous End-Joining for DSB Repair 27 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 19: Sơ đồ sửa chữa DSB Repair 28 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Sửa chữa DSB là sửa chữa mà lỗi nhiều hơn trong NER, đặc biệt là trong trường hợp của NHEJ Protein WRN, loại protein chứa trong các Werner’s syndrome, điều khiển quá trình sửa chữa DSB trong cả hai trường hợp NHEJ và HR Hậu quả cuối cùng của sự tích... ngừa sự liên kết chéo của các protein Gần đây, tại Trung Quốc đã nghiên cứu thành công carnosine có thể có tác dụng làm ngưng quá trình đục nhân mắt, ở đó có sự tham gia một phần của các quá trình liên kết chéo Hàm lượng carnosine ở các độ tuổi khác nhau là khác nhau, được minh hoạ ở hình 14 17 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 14: Biểu đồ nồng độ carnosine trong cơ ở các độ tuổi 18 Tiểu luận Sinh học Lão. .. rằng có sự liên kết chéo của các protein, và có thể sự liên kết chéo của các phân tử DNA cũng tương tự như vậy, là một nhân tố dẫn tới quá trình lão hoá Tuy nhiên, còn thiếu các bằng chứng chứng minh rằng đây là nguyên nhân đầu tiên của quá trình lão hoá Các nghiên cứu vẫn đang được tiếp tục và hoàn thiện thuyết liên kết chéo trong vấn đề của lão hoá tế bào Hình 18: Sơ đồ sửa chữa NER 26 Tiểu luận Sinh... não của cơ thể già có sự hình thành tự nhiên của các cấu trúc protein não có liên kết chéo, thêm một bằng chứng chứng minh cho quá trình lão hoá chịu sự chi phối của thuyết này 16 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 13: Cấu trúc dạng tinh thể của liên kết chéo Cytochrome C peroxidase – cytochrome Một vài thí nghiệm trực tiếp nhằm chứng minh thuyết liên kết chéo tham gia vào quá trình lão hoá có thể được... phosphodiester Ngoài ra có sự tham gia của các enzymes helicase, topoisomerase vài quá trình sửa chữa DNA bị tổn thương Có 3 nhóm sửa chữa DNA bằng các enzymes: (1) Base Excision Repair (BER) (2) Nucleotide Excision Repair (NER) (3) MisMatch Repair (MMR) 24 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Base Excision Repair Hình 17: Sơ đồ quá trình sửa chữa BER 25 Nucleotide Excision Repair Tiểu luận Sinh học Lão hoá Mặc dù nhiều... khiển của sự trao đổi chéo, điều này minh hoạ tại hình 8 11 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 8: Sự làm bền các cấu trúc mô bằng các liên kết chéo trong các phân tử collagen (UltiFix tissue stabilization) Điều này cho phép sản phẩm sinh học cấy ghép (bioimplants) với dạng liên kết chéo dày đặc có thể làmbằng chứng bởi chúng thường rất nhạy cảm với các enzyme sửa chữa Các liên kết chéo riêng rẽ và sự bền... đây: 21 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Types and Frequency of DNA Damage TYPE % of total daily damag e events/cell/day OF DAMAGE Single-strand break 120,000 50.9 N7-MethylGuanine 84,000 35.6 Depurination 24,000 10.2 O6-MethylGuanine 3,120 1.3 Oxidized DNA 2,880 1.2 Depyrimidation 1,320 0.5 Cytosine deamination 360 0.2 Double-strand breaks 9 0.01 Interstrand cross-links 8 0.01 22 Tiểu luận Sinh học Lão hoá . không dài hơn ở các tế bào mới được phân chia. 7 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 5: Con đường tín hiệu apoptosis thông qua ty thể 8 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Vai trò của Cytochrome C trong quá trình. nếp gấp và sự thay đổi trong tuổi ở biểu mô. 14 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 11: Liên kết chéo trong phân tử collagen 15 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 12: minh hoạ của hai phân tử collagen. là khác nhau, được minh hoạ ở hình 14. 17 Tiểu luận Sinh học Lão hoá Hình 14: Biểu đồ nồng độ carnosine trong cơ ở các độ tuổi 18 Tiểu luận Sinh học Lão hoá DNA và liên kết chéo Cấu trúc cơ bản