Đột biến trên một số gen mãhoá cho các thành phần cấu trúc hoặc điều hoà của các kênh ion trên màng tếbào cơ tim, làm biến đổi chức năng sinh lý của các protein này, tạo ra các thayđổi v
Trang 1ĐẶNG DUY PHƯƠNG
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐỘT BIẾN
TRÊN GEN SCN5A ĐẾN CƠ CHẾ BỆNH SINH
CỦA HỘI CHỨNG BRUGADA
TIỂU LUẬN TỔNG QUAN
HÀ NỘI – 2018
Trang 2ĐẶNG DUY PHƯƠNG
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐỘT BIẾN
TRÊN GEN SCN5A ĐẾN CƠ CHẾ BỆNH SINH
CỦA HỘI CHỨNG BRUGADA Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trần Huy Thịnh
Cho đề tài: Nghiên cứu đặc điểm lâm sàng, cận lâm sàng
và đột biến gen SCN5A của bệnh nhân hội chứng Brugada
Chuyên ngành : Nội Tim mạch
TIỂU LUẬN TỔNG QUAN
HÀ NỘI – 2018
Trang 3ATP : Adenosine triphosphate
bp : đôi base (cặp base)(base pair)
cDNA : DNA tái tổ hợp (complementary DNA)
DNA : Deoxynucleic acid
kb : đơn vị số lượng 1000 đôi base (kilobase)
kDa : đơn vị trọng lượng phân tử của protein (kilo dalton)
INa : Dòng natri đi vào tế bào cơ tim (inward sodium current)
Ito : Dòng kali đi ra khỏi tế bào cơ tim (outward potassium current)
n.d : Không tìm thấy (non-detected)
NM : Chữ bắt đầu cho mã số của một trình tự mRNA của một gen
NP : Chữ bắt đầu cho mã số của một trình tự protein của một biến thể sao mãRefSeq : Mã số trình tự (reference sequence)
UTR : Vùng không dịch mã (untranslated region)
Trang 41 ĐẶT VẤN ĐỀ 1
2 TỔNG QUAN VỀ HỘI CHỨNG BRUGADA 3
2.1 Hoạt động điện thế của màng tế bào cơ tim 3
2.2 Hội chứng Brugada và phân loại 5
2.3 Biến đổi điện tim của hội chứng Brugada 6
2.4 Nguyên nhân gây ra hội chứng Brugada 9
3 GEN SCN5A 9
3.1 Cấu trúc gen 9
3.2 Sự biểu hiện gen 10
3.3 Các biến thể lựa chọn exon 11
3.4 Điều hoà sao mã 14
4 BÁN ĐƠN VỊ ALPHA CỦA KÊNH Nav1.5 14
4.1 Cấu trúc và chức năng các vùng cấu trúc 14
4.2 Sự phân bố acid amin theo các vùng cấu trúc 17
4.3 Sự thay đổi trạng thái cấu hình theo hoạt động điện thế màng trong điều kiện sinh lý 18
5 ĐỘT BIẾN TRÊN GEN SCN5A GÂY HỘI CHỨNG BRUGADA 21
5.1 Hậu quả của các biến đổi di truyền trên gen SCN5A đến hoạt động sinh lý và cấu trúc của tim 21
5.2 Đặc điểm của các biến đổi di truyền trên gen SCN5A liên quan đến hội chứng Brugada 25
6 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 5Bảng 1 Phân loại hội chứng Brugada bằng đặc điểm điện tâm đồ 6Bảng 2 Các biến thể lựa chọn exon (sao mã) của gen SCN5A 12
Hình 1 Các pha điện thế màng tế bào cơ tim và biểu hiện tương ứng trên điện
tâm đồ 4Hình 2 Hình ảnh điện tâm đồ của hội chứng Brugada 5Hình 3 Sự thay đổi điện thế hoạt động của hai lớp tế bào cơ tim thất phải
ở người bình thường và người bệnh hội chứng Brugada 8Hình 4 Cấu trúc gen SCN5A gồm 28 exon và chiều dài tương ứng mỗi exon
10Hình 5 Sơ đồ trình tự của bốn biến thể lựa chọn exon chính của gen SCN5A 13Hình 6 Cấu trúc bán đơn vị alpha của protein Nav1.5 15Hình 7 Hoạt động của kênh Nav và Kv trên màng tương ứng với các hoạt
động điện thế của màng tế bào 19Hình 8 Các bệnh lý tim liên quan đến biến đổi di truyền trên gen SCN5A 21Hình 9 Tỷ lệ đột biến gen SCN5A ở quần thể nghi ngờ hội chứng Brugada
qua một số trung tâm 26Hình 10 Tỷ lệ hiện diện các loại đột biến nghi ngờ gây hội chứng Brugada 27Hình 11 Sơ đồ phân bố các loại đột biến nghi ngờ gây hội chứng Brugada
trên các vùng cấu trúc protein bán đơn vị alpha của kênh Nav1.5 28
Trang 61 ĐẶT VẤN ĐỀ
Năm 1996, thuật ngữ "hội chứng Brugada" (Brugada syndrome) được sửdụng lần đầu tiên để mô tả tình trạng "bloc nhánh phải, ST chênh lên từchuyển đạo V1-V3 trên điện tâm đồ và hội chứng đột tử do tim" [1] Vài nămsau, hội chứng Brugada được mô tả như một hội chứng đột tử về đêm không
giải thích được, được gọi là bangungut ở Philippines, là pokkuri ở Nhật, hoặc
là lai tai ở Thái Lan, với đặc điểm nổi bật là tình trạng đột tử vào ban đêm ở
nam giới quanh tuổi 40 [2]
Hội chứng Brugada chiếm tỷ lệ cao nhất trong hội chứng đột tử do tim,thuộc nhóm bệnh bất thường kênh ion ở tế bào cơ tim, thường gây ra nhữngcơn nhịp nhanh thất đa dạng và rung thất dẫn đến đột tử [3],[4] Bệnh đượcchú ý nhiều ở vùng Đông Nam Á, bao gồm cả Việt Nam với rất ít biểu hiệnlâm sàng Ngày nay, nguyên nhân bệnh được nhiều tác giả chấp nhận là dotổn thương về mặt di truyền Hội chứng Brugada và các rối loạn nhịp timkhác, là những bệnh di truyền phối hợp đa gen Đột biến trên một số gen mãhoá cho các thành phần cấu trúc hoặc điều hoà của các kênh ion trên màng tếbào cơ tim, làm biến đổi chức năng sinh lý của các protein này, tạo ra các thayđổi về dẫn truyền điện học của cơ tim, biểu hiện trên điện tâm đồ và trên lâmsàng của hội chứng Brugada
Trong các gen chịu trách nhiệm đã được công bố, gen SCN5A, mã hoácho bán đơn vị alpha của kênh natri Nav1.5 trên màng tế bào cơ tim, và cácđột biến của nó, đóng vai trò quan trọng nhất gây ra hội chứng Brugada [5].Với tần suất lưu hành từ 11-28% trong nhóm đã được chẩn đoán hội chứngBrugada và khoảng 50% trong nhóm hội chứng Brugada có đột biến gen đượcxác định [6],[7], đột biến trên gen SCN5A là nhóm đột biến duy nhất [8],[9]:
Trang 7Được khuyến cáo chỉ định (class I) cho người cùng huyết thống với
người có mang đột biến gen gây hội chứng Brugada
Có thể hữu ích (class II) đối với người bệnh nghi ngờ mắc hội chứng
Brugada (dựa trên các thông tin về bệnh sử, tiền căn gia đình, đặc điểm điệntâm đồ 12 chuyển đạo khi nghỉ và/hoặc thử nghiệm kích thích thất bằngthuốc)
Có thể được xem xét hoặc cân nhắc (class III) đối với người có đặc điểm
điện tâm đồ Brugada típ 2 hoặc típ 3
Các đột biến trên gen SCN5A đa dạng và phân bố rải rác trên khắp chiềudài của gen Do đó, mỗi loại đột biến sẽ gây biến đổi một vùng cấu trúc kênhnatri đặc hiệu, đảm nhận các chức năng khác nhau của kênh Điều này chiphối hoạt động sinh lý của kênh và tạo ra các kiểu hình đa dạng của hội chứngBrugada Việc xác định được vị trí đột biến, ảnh hưởng của đột biến đến cấutrúc protein Nav1.5 và thay đổi hoạt động điện của màng tế bào cơ tim chính
là "điểm nút" để tối ưu hoá, cá thể hoá điều trị cho người bệnh Cho đến nay,hơn 300 loại đột biến trên gen SCN5A đã được công bố, tuy nhiên, khôngphải cơ chế hoạt động của tất cả các đột biến đều đã được làm rõ
Tổng quan này cung cấp các kiến thức cơ sở, tổng quát về hội chứngBrugada, về cấu trúc và chức năng của gen SCN5A và protein Nav1.5, cũngnhư phân tích cơ sở dữ liệu về ảnh hưởng của các đột biến trên gen này đến
cơ chế bệnh sinh của hội chứng Brugada
Trang 82 TỔNG QUAN VỀ HỘI CHỨNG BRUGADA
2.1 Hoạt động điện thế của màng tế bào cơ tim
Sự co của tế bào cơ tim được kiểm soát chặt chẽ bởi sự lan tỏa của điệnthế hoạt động màng từ nút xoang cho đến các tâm thất Thành thất gồm ba lớp
tế bào: lớp trong hay còn gọi là nội tâm mạc (endocardium), lớp giữa cell), và lớp ngoài hay còn gọi là thượng/ngoại tâm mạc (epicardium) Điệnthế hoạt động màng là hoạt động thay đổi điện tích ở hai bên màng của một tếbào cơ tim xảy ra trong một khoảng thời gian xác định, từ ngay trước khi bắtđầu thời kỳ tâm thu (khử cực) cho đến khi kết thúc thời kỳ tâm trương (táicực) Điện thế màng của một tế bào cơ tim là kết quả hoạt động phối hợp củacác kênh ion natri, kali và calci, được xác định bằng cách gắn vi điện cực vàotrong tế bào cơ tim và được chia làm năm pha (hình 1) (trừ pha nghỉ)
(M Pha nghỉ: cân bằng ion ra vào, điện thế nghỉ, thể hiện là đường đẳngđiện trên ECG Ở pha này, cả kênh natri và kênh kali trên màng đềuđóng
- Pha 0: pha khử cực do hoạt hóa kênh natri mở ra làm natri di chuyểnvào trong tế bào Lượng ion natri nội bào tăng cao gây đỉnh tăng điệnthế đột ngột, tạo ra phức hợp sóng QRS (đi từ nội tâm mạc đến ngoạitâm mạc)
- Pha 1: tái cực nhanh do đóng đột ngột kênh natri và kích hoạt thoángqua kênh kali làm cho kali đi từ trong ra ngoài tế bào, tạo hõm nhọnđiện thế, tương ứng với điểm J trên điện tâm đồ
Pha 2: pha bình nguyên được duy trì bởi sự cân bằng dòng calci natri đi vào trong tế bào với dòng kali đi ra, tương ứng với đoạn STtrên điện tâm đồ
Trang 9Pha 3: tái cực nhanh do sự đóng kênh calci và natri Natri được loại rangoài tế bào bằng bơm natri-kali Calci được đưa ra ngoài qua cơ chếtrao đổi natri-calci Màng tăng tính thấm trở lại với kali Dòng kali đi ratăng lên trong khi dòng natri-calci giảm, tạo độ dốc xuống của điện thế,tương ứng với sóng T trên điện tâm đồ.
- Pha 4: là khoảng thời gian giữa hai hoạt động điện thế liên tiếp, kênhkali mở, kênh natri-calci đóng, dần trở về đẳng điện
Như vậy, hiện tượng khử cực thất (pha 0), chịu trách nhiệm bởi dòngnatri đi vào, đi từ nội tâm mạc đến ngoại tâm mạc, tạo ra phức bộ QRS Hiệntượng tái cực thất (pha 1 đến pha 3), chịu trách nhiệm bởi dòng natri-calci đivào và dòng kali đi ra, có chiều ngược lại, đi từ ngoại tâm mạc đến nội tâmmạc, tạo ra đoạn ST và sóng T
Hình 1 Các pha điện thế màng tế bào cơ tim
và biểu hiện tương ứng trên điện tâm đồ
Trang 10Bất thường chức năng của một hoặc nhiều kênh ion sẽ ảnh hưởng đến
điện thế hoạt động màng Tùy theo kênh ion nào bị ảnh hưởng mà điện thế
hoạt động màng sẽ có sự biến đổi đặc hiệu và hình dạng đoạn ST và T trênECG cũng sẽ thay đổi tương ứng Đây là sinh bệnh học chung cho các bất
thường tái cực ở cơ tim như BrS, hội chứng QT dài, hội chứng QT ngắn…
2.2 Hội chứng Brugada và phân loại
Hội chứng Brugada là bệnh lý của thất phải, được mô tả lần đầu tiên vàonăm 1992 bởi các tác giả nhà Brugada, với biến chứng là các cơn nhịp nhanhthất và rung thất gây ngất hoặc đột tử [10] Theo các đồng thuận chuyên giamới nhất, hội chứng Brugada được chẩn đoán dựa vào các tiêu chuẩn điệntâm đồ, tiền sử, cũng như triệu chứng của người bệnh Trong đó, điện tâm đồđiển hình Brugada típ 1 gồm có đoạn ST chênh lên ≥ 2 mm hình vòm, sóng T
âm ở các chuyển đạo ngực phải (V1-V3), có thể kèm theo bloc nhánh phải vàkhoảng PR ngắn (hình 2, bảng 1) Điện tâm đồ Brugada típ 1 có thể là tự pháthoặc được chuyển từ típ 2 và típ 3 dưới tác dụng của thuốc chẹn kênh natri(nhóm I) [3]
Hình 2 Hình ảnh điện tâm đồ của hội chứng Brugada [11]
Trang 11Bảng 1 Phân loại hội chứng Brugada bằng đặc điểm điện tâm đồ [11]
Phần cuối đoạn ST Đi xuống dần dần Chênh ≥ 1 mm Chênh < 1 mm
2.3 Biến đổi điện tim của hội chứng Brugada
Hội chứng Brugada là một loại bất thường dẫn truyền điện tim, liên quanđến rối loạn hoạt động của các kênh ion, làm thay đổi dòng ion trao đổi quamàng tế bào cơ tim, dẫn đến thay đổi chu kỳ điện thế hoạt động của cơ tim
Sự giảm dòng Na+ đi vào tế bào ở pha 0 (khử cực) và pha 1 (tái cực sớm)(inward sodium current, INa), do bất thường cấu trúc của kênh hoặc do rối loạnđiều hoà hoạt động kênh, gây ra sự chênh lệch về điện thế giữa lớp nội tâmmạc và ngoại tâm mạc của thất phải, từ đó biểu hiện nên triệu chứng ECGđiển hình Brugada và các triệu chứng lâm sàng khác của hội chứng Brugada
Có hai giả thuyết chính về cơ chế sinh lý bệnh của hội chứng Brugada
được đặt ra: thuyết khử cực muộn (delayed depolarization) và thuyết tái cực
sớm (early repolarization) [12],[13], từ các kết quả quan sát trên mô hình thử
nghiệm động vật [14],[15]
2.3.1 Bất thường khử cực muộn
Giả thuyết dựa trên mô hình rối loạn khử cực và dẫn truyền, cho rằngbiểu hiện điện tâm đồ điển hình của hội chứng Brugada hình thành từ tìnhtrạng chậm dẫn truyền và trì hoãn hoạt hóa của thất phải (delayeddepolarization) [16] Bất thường khử cực muộn là do hoạt động bất thường của
INa ở pha 0 Rối loạn khử cực muộn cũng gây chênh đoạn ST
2.2.2 Bất thường tái cực sớm
Trang 12Bất thường tái cực sớm (early repolarization) phản ánh sự mất cân bằngtrong các kênh ion chịu trách nhiệm cho vị trí cuối của khử cực (pha 0) và vịtrí đầu của tái cực (pha 1-2), quan trọng nhất cũng là kênh natri và kênh kaliThuật ngữ tái cực sớm được hiểu là sự hiện diện của “sóng J” hoặc “điểm Jchênh lên”, từ lâu đã được sử dụng để mô tả một biến thể QRS -T trên điệntâm đồ (điểm J (J-point) trên điện tâm đồ là điểm kết thúc phức bộ QRS vàbắt đều đoạn ST)
Giả thuyết về tình trạng tái cực sớm được ủng hộ nhiều hơn, bởi các tếbào ngoại tâm mạc thất phải (điện thế cao hơn, dương tính) đóng vai tròquan trọng hơn các tế bào nội tâm mạc (điện thế thấp hơn, âm tính) trongviệc hình thành và dẫn truyền điện thế hoạt động màng Sự giảm INa
và/hoặc tăng dòng kali đi ra (outward potassium current, Ito) làm gia tăng sựkhác biệt này, gây nên sự chênh lệch điện thế trong quá trình tái cực giữa ba lớpcủa tế bào cơ tim, từ đó biểu hiện thành các thay đổi chênh lên của đoạn ST trênđiện tâm đồ (hình 2) Sự khác biệt về điện thế càng lớn thì ST càng chênh [16],[17],[18]
Như vậy, bất thường tái cực sớm là do hoạt động bất thường của kênhnatri đi vào (pha 0 và pha 1), kênh kali đi ra (pha 1 và pha 2) và kênh calci đivào (pha 2) Trong trường hợp quá trình tái cực còn tương đối bình thường,điện tâm đồ ở chuyển đạo V2 chỉ xuất hiện sóng J tương ứng với hiện tượngtái cực sớm (đầu pha 1), sóng T vẫn còn dương tạo nên đoạn ST võng xuốnghình yên ngựa (hội chứng Brugada típ 2 hoặc típ 3) Trong trường hợp quátrình tái cực bị thay đổi nhiều, đủ để gây nên sự đảo chiều của điện thế, hiệndiện sóng J biên độ cao, sóng T bị nghịch đảo (âm), đoạn ST sẽ có dạng hìnhvòm (hội chứng Brugada típ 1) Sự gia tăng dòng kali đi ra không chỉ làmhõm nhọn (ngay sau pha 1) thấp hơn mà cũng làm cho sóng cong vòm (pha 2)thấp xuống (hình 3.B và 3.C) Sự thấp xuống sóng cong vòm pha 2 không đều
Trang 13nhau ở một số vùng cơ tim Sự chênh lệch điện thế của sóng cong vòm pha 2
ở các vị trí khác nhau sẽ tạo khử cực thất tại pha 2, tức là ngoại tâm thu thấtxuất hiện sớm ngay trước sóng T, tạo hiện tượng "R on T", biểu hiện ra lànhịp nhanh thất hoặc rung thất
Hình 3 Sự thay đổi điện thế hoạt động của hai lớp tế bào cơ tim thất phải
ở người bình thường và người bệnh hội chứng Brugada [17]
(End: nội tâm mạc; Epi: ngoại tâm mạc; mid: lớp tế bào cơ tim ở giữa)
(A): Điện tâm đồ bình thường ở chuyển đạo V2, được tạo thành bởi sự chênh lệch điện thế xuyên thành cơ tim trong suốt pha khử cực và tái cực.
(B): Điện tâm đồ ở bệnh nhân hội chứng Brugada với sự xuất hiện sóng J, đoạn ST chênh lên dạng yên ngựa, sóng T dương.
(C) và (D): Điện tâm đồ ở bệnh nhân hội chứng Brugada típ 1 với sự xuất hiện sóng J, đoạn ST dạng vòm, sóng T hai pha.
(E): Điện tâm đồ ở bệnh nhân hội chứng Brugada với sự xuất hiện sóng J, đoạn ST dạng vòm, sóng T nghịch đảo (có hiện diện của cơ chế vào lại ở pha 2 của điện thế động).
2.4 Nguyên nhân gây ra hội chứng Brugada
Trang 14Với các tiến bộ về sinh học phân tử, hội chứng Brugada đã được xácđịnh là do các đột biến gen trên nhiễm sắc thể thường, di truyền kiểu trội, gâykhiếm khuyết cấu trúc hoặc rối loạn chức năng các kênh ion tham gia tạo điệnthế hoạt động ở màng tế bào cơ tim Đây là các đột biến đa gen, gây bệnh theonhiều cơ chế khác nhau: giảm dòng natri-calci đi vào hoặc tăng dòng kali đi rakhỏi tế bào cơ tim, từ đó tạo nên các biểu hiện đặc trưng trên điện tâm đồBrugada, cũng như các cơn nhịp nhanh thất, rung thất
Cho đến thời điểm hiện tại, y văn thế giới ghi nhận được các đột biếnchịu trách nhiệm gây ra kiểu hình hội chứng Brugada nằm trên 19 gen khácnhau [4] Các gen này có tần suất đột biến gây bệnh, loại đột biến, ảnh hưởngđến chức năng các protein được mã hoá khác nhau Tuỳ theo hậu quả gây ratrên kênh ion, các đột biến được xếp vào bốn nhóm:
(1) Đột biến làm giảm chức năng kênh natri: gồm các đột biến trên genSCN5A, SCN10A, GPD1-L, SCN1B, SCN2B, SCN3B
(2) Đột biến làm giảm chức năng kênh calci: gồm các đột biến trên genCACNA1C, CACNB2B, CACN2D1
(3) Đột biến làm tăng chức năng kênh kali: gồm các đột biến trên genKCNE3, KCND3, KCNJ8, SCN1B và ABCC9
Trong các đột biến đã được báo cáo, chiếm tỷ lệ cao nhất là các đột biếntrên gen SCN5A [4]
3 GEN SCN5A
3.1 Cấu trúc gen
SCN5A, là chữ viết tắt của sodium channel, voltage gated, type V alpha
subunit, Na v 1.5, là một gen có mã số theo Uỷ ban danh pháp gen người
(Human genome nomenclature commitee, HGNC) là 10593 và mã số nhậndạng (ID) theo hệ thống dữ liệu của Trung tâm Dữ liệu tin sinh học quốc gia(Hoa kỳ) (National Center Biotechnology Information, NCBI) là 6331
Trang 15Gen SCN5A là thành viên của một họ gồm 10 gen cùng mã hóa cho bánđơn vị alpha của kênh natri Các thành viên này gồm Nav1.1, Nav1.2, Nav1.3,
Nav1.6 và Nav2.1 là những kênh natri quan trọng ở hệ thần kinh trung ương;
Nav1.7, Nav1.8 và Nav1.9 ở hệ thần kinh ngoại biên; Nav1.4 ở mô cơ xương; và
Nav1.5, được mã hóa bởi gen SCN5A, là kênh natri chính của tế bào cơ tim [19].SCN5A là một gen dài, được bảo tồn tốt trong hệ gen của thủ mỏ vịt,chim và người [19], nằm tại locus 21 của cánh ngắn nhiễm sắc thể số 3(3p21), có chiều dài hơn 100kb, gồm 28 exon, trong đó exon 1 và một phầnđầu của exon 2 là vùng 5' không dịch mã (5' UTR), còn exon 28 là vùng 3'không dịch mã (3' UTR) (hình 4)
Hình 4 Cấu trúc gen SCN5A gồm 28 exon và chiều dài tương ứng mỗi exon 3.2 Sự biểu hiện gen
Gen SCN5A được biểu hiện chủ yếu ở cơ tim, một phần nhỏ ở cơ trơn ruột
và đại thực bào [20],[21] Ngoài ra, đồng phân sao mã "mới sinh" (neonatal) củaSCN5A được biểu hiện ở hệ thần kinh trung ương và một vài loại tế bào ung thư[19] Chưa có nhiều dữ liệu về chức năng của gen SCN5A ở các mô ngoài cơtim
Trong tế bào cơ tim, các bản sao mã của SCN5A hiện diện nhiều ởvùng mô cơ và vùng mô dẫn truyền, nút xoang và nút nhĩ thất được biểu hiện
ít hơn [22] Tại nút xoang nhĩ, SCN5A không biểu hiện ở vùng trung tâm, chỉhiện diện ở vùng ngoại vi [23] Ở vách tâm thất, luôn tồn tại một điện tếxuyên thành, phản ánh sự biểu hiện cao của SCN5A ở dưới lớp nội tâm mạc,
so với dưới lớp thượng tâm mạc [24]
Trang 163.3 Các biến thể lựa chọn exon
Hiện tại, có hơn 10 đồng phân của các biến thể lựa chọn exon (splicevariants) của gen SCN5A đã được mô tả và tiên đoán dựa trên trình tự vàcDNA (DNA tái tổ hợp) Các đồng phân biến thể này được biểu hiện khácnhau giữa mô cơ tim và các mô khác, và chúng cũng thể hiện các đặc tính
về điện sinh lý khác nhau Mặc dù vậy, không phải tất cả các đồng phânnày đều được nghiên cứu chi tiết Bảng 2 liệt kê các loại biến thể lựa chọnexon của SCN5A, cùng các chú thích về mã số trình tự trên các cơ sở dữliệu và y văn khác nhau
Có bốn biến thể lựa chọn exon chính của gen SCN5A (hình 5), trong
đó, biến thể SCN5A-003, mã số trình tự tham chiếu (RefSeq ID)NM_000335, là loại bản sao mã chiếm tỷ lệ nhiều nhất ở mô cơ tim người
và chuột [25],[26] Loại SCN5A-003 này được xem như biến thể "ngườilớn", thay thế cho biến thể "mới sinh" SCN5A-001 (RefSeqNM_001099404, Nav1.5e) trong vòng một vài ngày sau khi sinh (ở chuột).Hai loại đồng phân này khác nhau ở exon 6: exon 6a ở biến thể "mới sinh"
và exon 6b ở biến thể "người lớn", kết quả là hai protein sẽ khác nhau 7acid amin [25],[26] Biến thể SCN5A-001 được biểu hiện chủ yếu ở nãocủa chuột mới sinh và rất ít ở não chuột trưởng thành Hai đồng phânprotein khác biệt chức năng đáng kể: so với đồng phân "người lớn", đồngphân "mới sinh" có tốc độ hoạt hoá và bất hoạt chậm hơn, và có sự thayđổi về mức điện thế khử cực
Bảng 2 Các biến thể lựa chọn exon (sao mã) của gen SCN5A [22]
Tên
biến thể
Chiều dài cDNA
Chiều dài protein
Uniprot ID RefSeq ID (bản
sao mã, protein)
Tên cDNA [26]
Đặc điểm SCN5A-014 8456 2016 Q14524 NM_198056 Nav 1.5c "người lớn" exon 6b,
Trang 17SCN5A-004 8303 1998 E9PG18 - Na v 1.5f 5' UTR khác, Q1077, thiếu exon 24SCN5A-008 6284 1962 K4DIA1 - n.d. "mới sinh" exon 6a,
thiếu exon 18, 3' UTR SCN5A-010 5898 1962 A0A0A0MT39 - Na v 1.5a
"người lớn" exon 6b, thiếu exon 18, 3' UTR khác
SCN5A-201 8450 1998 E9PG18 NM_001099405
NP_001092875 Nav1.5f
bản sao mã dự đoán, Q1077, thiếu exon 24
SCN5A-202 8343 1962 K4DIA1 NM_001160161
NP_001153633 n.d.
bản sao mã dự đoán, Q1077, thiếu exon 18,
"mới sinh" exon 6a.
Tên biến thể theo cơ sở dữ liệu Ensembl (http://ensembl.org); chiều dài cDNA theo đơn
vị bp; Uniprot ID là mã số trình tự tham chiếu protein (http://www.uniprot.org/); RefSeq ID
là mã số trình tự tham chiếu của bản sao mã và protein theo NCBI (http://ncbi.nlm.nih.gov);
n.d (non-detected) là không tìm thấy; Q1077 là thiếu acid amin thứ 1077 (Glutamine).
Hai biến thể thường gặp khác là SCN5A-010 (không có RefSeq ID)
và SCN5A-014 (NM_198056) SCN5A-010 thiếu exon 18, được biểu hiện
ở mô não và các tế bào đầu dòng thuộc hồi hải mã (hippocampal
progenitor cells) của loài gậm nhấm, nhưng không biểu hiện ở người [26]
Biến thể SCN5A-014, so với SCN5A-003, chứa thêm một bộ ba CAG tại
vùng nối exon 17-18, nên protein Nav1.5c có thêm một acid amin
Trang 18glutamin tại vị trí 1077 Biến thể này biểu hiện ở mô tim người, dù với tỷ
lệ ít hơn SCN5A-003 (tỉ số xấp xỉ 1:2) [26],[27]
Hình 5 Sơ đồ trình tự của bốn biến thể lựa chọn exon chính của gen SCN5A [26]
Ngoài các biến thể trên, một vài biến thể khác nhau của exon 1 cũngđược mô tả, dựa trên các loại vùng 5' UTR khác nhau, đóng vai trò điềuhoà sự sao mã Các biến thể này hiện diện không giống nhau ở người vàchuột [28] Chức năng sinh lý của chúng vẫn còn đang tiếp tục đượcnghiên cứu
3.4 Điều hoà sao mã
Điều hoà ở cấp độ sao mã, cho đến hiện tại, có ba vùng khởi động(promoter) khác nhau đã được mô tả trên gen SCN5A, tương ứng với cácloại vùng 5'UTR khác nhau trên bốn biến thể lựa chọn exon chính nêutrên [28],[29] Vùng khởi động đầu tiên được phát hiện dài 2,8 kb, trải dài
Trang 19từ exon 1 và một phần intron 1 [Yang 2004] Một vài yếu tố sao mã ảnhhưởng đến sự biểu hiện gen đã được ghi nhận, gồm Forkhead Box O1
(Foxo1) [30],[31], yếu tố kappa B của nhân (NF-κB) [32], và TBX5 [33],
[34]
Foxo1 và NF-κB cùng tham gia điều hoà gen trong điều kiện tế bào bị
kích thích phì đại hoặc bị stress oxy hoá (ví dụ nhồi máu cơ tim) Tình trạngtăng nồng độ các gốc tự do oxy hoá nội bào gây ra sự chuyển vị của các yếu
tố sao mã, thay đổi sự gắn với các vùng khởi động, dẫn đến ức chế sự sao mãcủa gen SCN5A TBX5, đóng vai trò cơ bản trong sự phát triển của tế bào cơtim, kích thích sự biểu hiện của gen SCN5A ở các tế bào thuốc hệ thống dẫntruyền của tim, bằng cách gắn với các vùng tăng cường (enhancer) của gen[33],[34]
Điều hoà ở cấp độ sau sao mã gen SCN5A, vai trò của microRNA
miR-219 đã được mô tả là làm tăng hiệu suất sao mã và nồng độ protein biểu hiện[35]
4 BÁN ĐƠN VỊ ALPHA CỦA KÊNH Na v 1.5
4.1 Cấu trúc và chức năng các vùng cấu trúc
Kênh natri phụ thuộc điện thế Nav trên màng tế bào cơ tim là một phứchợp protein gồm một bán đơn vị alpha tạo thành lỗ kênh, vùng cảm nhận điệnthế và nhiều bán đơn vị beta liên kết điều hoà
Trang 20Hình 6 Cấu trúc bán đơn vị alpha của protein Nav 1.5 [36]
(a) sơ đồ các vùng xuyên màng D I -D IV ; (b) mô hình (dạng ribbon band) bán đơn vị alpha của kênh nhìn từ trên xuống; (c) mô hình (dạng ribbon band) bán đơn vị alpha của kênh nhìn từ bên.
Bán đơn vị alpha của kênh Nav1.5 là một protein chuỗi polypeptid đơn,xuyên màng, có trọng lượng phân tử lớn (khoảng 260 kDa), có chức năng tạo
lỗ kênh cho dòng ion natri di chuyển và bộ phận cảm nhận điện thế Cho đếnhiện tại, chưa có báo cáo về mô hình cấu trúc phân tử chi tiết của bán đơn vịalpha của kênh natri phụ thuộc điện thế ở động vật có xương sống Tuy nhiên,cấu trúc tính thể của kênh Nav ở vi khuẩn với các trạng thái cấu hình khácnhau đã được công bố [37],[38],[39] (hình 6b), giúp các nhà khoa học tiếp cậnsâu hơn với hoạt động của kênh ở cấp độ phân tử
Trang 21Bán đơn vị alpha của kênh Nav1.5 cấu tạo gồm bốn vùng (domain)xuyên màng đồng dạng DI - DIV, mỗi vùng được tạo thành bởi sáu đoạn xoắnhelix xuyên màng S1 – S6 (hình 6a), mỗi vùng xoắn đảm nhận chức năngriêng biệt [19],[22],[36] Theo đó, trạng thái hoạt động và bất hoạt của kênh
có mối liên hệ về cấu trúc, cơ chế và chức năng:
-Các vòng nối ngoại bào giữa các đoạn xoắn S5-S6 tạo thành cấu trúc lỗ
trung tâm (lỗ kênh mà qua đó dòng ion natri đi ra hoặc đi vào tế bào) Theo
mô hình của bán đơn vị alpha nhìn từ trên xuống và nhìn từ bên (hình 6b), cácvùng DI - DIV được sắp xếp trong không gian sao cho lỗ trung tâm thông suốt
từ trong màng ra ngoài màng theo một trục
-Các đoạn xoắn S1-S4 của mỗi vùng (từ DI - DIV) nằm ở rìa ngoài của lỗtrung tâm, ở các góc của bán đơn vị alpha (hình 6b), có chức năng cảm nhậnđiện thế Trong đó, vùng S4, vừa có tính ưa nước vừa kỵ nước, tích điệndương Khi điện thế màng thay đổi trong quá trình khử cực, đoạn xoắn S4 sẽdịch chuyển về phía mặt ngoại bào, khởi động sự thay đổi cấu hình củaprotein, gây mở lỗ trung tâm [37],[38],[40]
-Vùng cảm nhận điện thế của DI - DIII có hoạt tính động học nhanh, tạohiệu ứng cho phép dòng ion di chuyển (phụ thuộc điện thế) [41], trong khivùng cảm nhận điện thế của DIV có hoạt tính động học chậm Vòng nối nộibào giữa đoạn xoắn S1 của DIV và đoạn xoắn S6 của DIII tạo thành cấu trúc
cổng bất hoạt (inactivation gate) (hình 6a) [42],[43] Theo hoạt động điện thế
màng, cấu trúc cổng bất hoạt sẽ dịch chuyển che lấp mặt nội bào của lỗ trung
tâm, làm cho bán đơn vị alpha của kênh Nav1.5 chuyển sang trạng thái bấthoạt (hình 7c)
Hoạt động của các kênh Nav ở màng tế bào được hỗ trợ điều hoà bởi cácbán đơn vị beta của kênh và một số protein điều hoà khác (thông qua sự tương
Trang 22tác với vùng đầu tận carboxyl của protein bán đơn vị alpha của kênh) Có bốnnhóm bán đơn vị beta (β1 đến β4), được lần lượt mã hoá bởi các gen SCN1Bđến SCN4B [44],[45].
4.2 Sự phân bố acid amin theo các vùng cấu trúc
Nếu sử dụng trình tự nucleotid và acid amin dựa vào lập trình cấu trúcbản sao mã SCN5A-014 (RefSeq ID NM_198056.2, bảng 2), cơ sở dữ liệuSwissprot (http://ca.expasy.org/uniprot/) [46] mô tả phân bố 2016 acid amintương ứng với các vùng cấu trúc của bán đơn vị alpha kênh Nav1.5 như sau[7]:
- Đầu tận amin: acid amin 1-126
- Vùng xuyên màng DI: acid amin 127-415; trong đó: đoạn xoắn S4/S5: acid amin 127-252, đoạn xoắn S5-S6: acid amin 253-415
S1 Đoạn nối DI-DII: acid amin 416-711
- Vùng xuyên màng DII: acid amin 712-939; trong đó: đoạn xoắn S4/S5: acid amin 712-841, đoạn xoắn S5-S6: acid amin 842-939
S1 Đoạn nối DII-DIII: acid amin 940-1200
- Vùng xuyên màng DIII: acid amin 1201-1470; trong đó: đoạn xoắn S4/S5: acid amin 1201-1336, đoạn xoắn S5-S6: acid amin 1337-1470
S1 Đoạn nối DIII-DIV: acid amin 1471-1523
- Vùng xuyên màng DIV: acid amin 1524-1772; trong đó: đoạn xoắn S4/S5: acid amin 1524-1659, đoạn xoắn S5-S6: acid amin 1660-1772
S1 Đầu tận carboxyl: acid amin 1773-2016
Việc biết được phân bố số lượng acid amin tương ứng với từng vùng cấutrúc sẽ hỗ trợ cho việc tiên đoán mối liên hệ giữa kiểu đột biến và kiểu hìnhbệnh lý của protein
4.3 Sự thay đổi trạng thái cấu hình theo hoạt động điện thế màng trong điều kiện sinh lý
Trang 23Tương tự các kênh natri phụ thuộc điện thế, Nav1.5 đặc tính sinh lý liênquan đến tình trạng điện thế và trạng thái cấu hình theo thời gian, cho phépkênh mở hoặc đóng đối với dòng Na+ Tình trạng hoạt hóa và bất hoạt kênh
Nav1.5 là hoạt động phụ thuộc điện thế
Trong tình trạng sinh lý, như đã đề cập ở phần 2.1, điện thế động màng
tế bào có 5 pha, hình thành qua các trạng thái nghỉ, sự khử cực và sự tái cựccủa màng, thông qua sự hoạt động của các kênh natri, kali, calci, mà quantrọng nhất là các kênh Nav và Kv (hình 7)[36]:
4.3.1 Trạng thái nghỉ
Trạng thái nghỉ của điện thế màng bắt đầu từ cuối pha 4 và pha nghỉ,
tương ứng với giai đoạn tâm trương, mức điện thế bên trong màng âm hơn so
với ngoài màng (khoảng -70 đến -85 mV), các dòng ion ra vào cân bằng Ởtrạng thái này, màng tế bào duy trì tính thấm cao với kali hơn là với natri,nghĩa là nồng độ kali trong màng cao hơn ngoài màng, còn nồng độ natri thìngược lại (kết quả của hoạt động của bơm Na-K-ATPase Lúc này, cả kênhnatri và kênh kali phụ thuộc điện thế trên màng đều đóng (hình 7a) (cấu trúccổng bất hoạt không che lấp phần nội bào của lỗ trung tâm), thể hiện là đườngđẳng điện trên ECG
4.3.2 Sự khử cực màng (pha 0)
Tín hiệu khử cực xuất hiện (khi tổng số Na+ đi vào tế bào thông qua bơmNa-K-ATPase mất cân bằng), điện thế mặt trong màng bắt đầu tăng lên, tạothuận lợi cho dòng Na+ đi vào nhiều hơn Tình trạng này được cảm nhận bởiđoạn xoắn S4 tạo ra một đáp ứng rất nhanh theo kiểu "tất cả hoặc là không",các đoạn nối ngoại bào S5-S6 dịch chuyển xa nhau, để lộ lỗ trung tâm (kênh
Nav mở) Dòng Na+ tràn vào tế bào đột ngột gây điện thế màng tăng cao trongkhoảng thời gian rất ngắn (khoảng 1 mili giây) (hình 7b), mặt trong màng trở
Trang 24nên dương hơn so với mặt ngoài màng, gây hiện tượng khử cực màng Hiệntượng này thể hiện ra phức hợp sóng QRS (đi từ nội tâm mạc đến ngoại tâmmạc) trên điện tâm đồ.
Hình 7 Hoạt động của kênh Nav và Kv trên màngtương ứng với các hoạt động điện thế của màng tế bào [36]
4.3.3 Sự tái cực nhanh sau khử cực (pha 1)
Sau khi tiếp nhận tín hiệu khử cực khoảng vài mili giây, bán đơn vị kênh
Nav tiến vào trạng thái bất hoạt, khiến nó không tiếp tục đáp ứng với tín hiệukhử cực Trạng thái này hình thành do cấu trúc cổng bất hoạt (vòng nối kỵnước giữa S1DIV và S6DIII) di chuyển che lấp mặt trong của lỗ trung tâm (vùnggiữa S5-S6DIII) (hình 7c) Cùng lúc này, kênh Kv được hoạt hoá mở, cho phépdòng K+ đi từ trong ra ngoài tế bào, điện thế động của màng tiến vào giai đoạntái cực
Trang 25Trong điều kiện sinh lý, khi bị bất hoạt, bán đơn vị alpha của kênh
Nav1.5 sẽ duy trì cấu hình đóng cho đến khi màng tế bào được tái cực, tạođiều kiện cho kênh hồi phục từ trạng thái bất hoạt và sẵn sàng cho pha khửcực kế tiếp Các nghiên cứu sâu hơn cho thấy: ngay cả khi điện thế màngđang ở trạng thái khử cực, cấu hình đóng của kênh cũng thay đổi qua nhiều
trạng thái bất hoạt, như bất hoạt nhanh, bất hoạt trung bình và bất hoạt chậm.
Các trạng thái bất hoạt của kênh cần những khoảng thời gian hồi phục khácnhau trong suốt pha tái cực của màng: tối đa 10 mili giây để hồi phục sau bấthoạt nhanh, khoảng 50 mili giây cho hồi phục sau bất hoạt trung bình và hơn
5 giây cho hồi phục sau bất hoạt chậm Chính vì vậy, trong suốt điện thế độngcủa màng tế bào, kênh Nav không bao giờ đạt đến được cấu hình bất hoạtchậm [22]
4.3.4 Sự tái cực sau đó
Sự tái cực của màng (tương ứng pha 2-4) thể hiện chủ yếu bởi hoạt độngcủa các kênh kali và calci phụ thuộc điện thế Trong giai đoạn này, vẫn cònmột phần rất nhỏ dòng Na+ tồn tại đi vào tế bào do kênh không bị bất hoạthoàn toàn Dòng Na+ này được gọi là dòng Na+ "tồn lưu" (sustained current)hoặc dòng Na+ "muộn" (late current) [47],[48] Dòng Na+ tồn lưu này hiệndiện trong lúc một số kênh ion khác được hoạt hoá, tạo nên một "cửa số điệnthế" (window current) ở giữa-cuối pha 3 [49] Dòng Na+ tồn lưu và cửa sổđiện thế có vai trò quan trọng trong các trạng thái bất thường do biến đổi ditruyền trên các gen mã hoá các kênh ion phụ thuộc điện thế
5 ĐỘT BIẾN TRÊN GEN SCN5A GÂY HỘI CHỨNG BRUGADA
5.1 Hậu quả của các biến đổi di truyền trên gen SCN5A đến hoạt động sinh lý và cấu trúc của tim