V. Tầm quan trọng của táI tổ hợp trong tự nhiên
1. Đột biến soma và ung th−
Đột biến soma xảy ra rất th−ờng xuyên và không thể tránh khỏi đối với cơ thể sinh vật. Tần số đột biến ở ng−ời vào khoảng 10-5 đến 10-7 mỗi gen mỗi thế hệ, mặt khác trong cơ thể con ng−ời có khoảng 1014 tế bào, điều này dẫn đến mỗi ng−ời chúng ta là một thể khảm soma đối với vô số bệnh di truyền. Những đột biến soma th−ờng không đáng quan tâm, trừ khi chúng làm xuất hiện một dòng tế bào đột biến mới gây nguy hiểm cho toàn bộ cơ thể sinh vật. Điều này có thể xảy ra theo 2 con đ−ờng sau:
+ Đột biến gây nên sự sinh sôi nảy nở bất th−ờng của một tế bào mà bình th−ờng nó không phân chia hoặc phân chia không đáng kể, do đó tạo ra một dòng tế bào đột biến.
+ Đột biến xuất hiện trong phôi sớm, làm ảnh h−ởng một tế bào có vai trò khởi sinh ra một bộ phận có ý nghĩa trong toàn bộ cơ thể.
* Ung th− là một hình thức chọn tự nhiên trong các tế bào soma cả một cơ thể sinh vật. Rất nhiều thập kỷ tr−ớc, các nghiên cứu về ung th− đã chỉ ra rằng để biến một tế bào bình th−ờng thành tác nhân gây ung th− thì nó cần có trung bình 6 đến 7 đột biến thành công (theo Armitage và Doll, 1954). Cơ hội để một tế bào phát sinh rất nhiều đột biến nh− vậy là không đáng kể, tuy nhiên có hai cơ chế có thể xúc tiến điều này xảy ra một cách thuận lợi hơn:
+ Một số đột biến tăng c−ờng khả năng sinh sản của các tế bào, tạo ra một quần bào đích cho các đột biến tiếp theọ
+ Một số đột biến ảnh h−ởng đến sự bền vững của toàn bộ hệ gen, do đó làm tăng tần số đột biến chúng.
Các nghiên cứu gần đây đã xác định 3 nóm gen có khả năng bị đột biến cao dẫn đến ung th−:
+ Gen ung th− (oncogenes): Là những gen thúc đẩy sự phân chia tế bàọ Các gen này ở trạng thái bình th−ờng không bị đột biến đ−ợc gọi là gen tiền ung th−. Các gen bị đột biến hoạt động một cách mạnh mẽ. Một alen đột biến đơn có thể ảnh h−ởng đến kiểu hình của cả tế bàọ
+ Gen ức chế ung th− (tumor suppressor genes-TS genes): Là các gen ức chế sự phân chia tế bàọ (Các gen bị đột biến trong tế bào ung th− đã bị mất chức năng của chúng). Để thay đổi hoạt động của tế bào thì cả hai alen của gen này đều phải bị bất hoạt.
+ Gen gây đột biến (mutator genes): Là các gen mã hoá cho việc bảo tồn sự nguyên vẹn của hệ gen và sự chính xác trong việc truyền thông tin. Mất chức năng này của cả hai alen làm cho các sai hỏng xảy ra dễ dàng hơn. Các sai hỏng đó rất có thể là đột biến trong oncogen hay TS gen.
ạ Oncogenes
Các virus là các bằng chứng đầu tiên của các gen ung th−, đ−ợc chia làm 3 loại sau: - Các virus ADN lây nhiễm bằng cách gây tan tế bào vật chủ, khối u đ−ợc hình thành do hệ gen virus tiêm nhiễm quá trình hoạt hoá phiên mã và tự sao của virus vào hệ gen vật chủ và thúc đẩy mạnh mẽ sự phân chia của vật chủ đó. Một số gen kiểu này đã đ−ợc xác định nh− gen
mã hoá cho kháng nguyên T(T-antigen) của SV40 hoặc E1A và E1B của các adenovirus. Không giống các oncogenes của retrovirus, các gen này đặc tr−ng và không có vật chủ t−ơng ứng chính xác.
- Các retrovirus có vật chất di truyền là ARN. Nhân đôi nhờ trung gian ADN, là kết quả cả quá trình phiên mã ng−ợc nhờ sự tác động của enzyme phiên mã ng−ợc. Các virus này không giết chết các tế bào vật chủ (ngoại trừ HIV) mà chỉ biến đổi nó. Hệ gen của retrovirus gồm 3 gen điển hình là gag, pol và env.
- Các virus biến nạp tinh xảo (acute transforming retrovirus) là các hạt virus không giống với những retrovirus bình th−ờng, nó biến đổi các tế bào vật chủ một cách nhanh chóng với hiệu quả rất caọ Hệ gen của chúng có thêm một gen, oncogen, thay thế một hoặc một số gen cần thiết hơn của virus làm cho các virus này phạm lỗi trong quá trình sao chép. Để nhân lên, chúng xâm nhiễm vào trong các tế bào nhờ sự giúp đỡ của các virus trợ giúp quá trình nhân đôi, các virus trợ giúp này cung cấp các chức năng mà chúng đã bị mất. Việc nghiên cứu các retrovirus này đã phát hiện thêm 50 oncogenes khác nhaụ
Việc khám phá ra các oncogen xuất phát từ cuộc thử nghiệm biến nạp dòng tế bào chuột NIH-3T3. Dòng tế bào này đ−ợc chuyển nhiễm các đoạn ADN tách ra từ các tế bào ung th− của ng−ời một cách ngẫu nhiên. Trong môi tr−ờng nghiên cứu, có thể xác định các ADN của ng−ời trong hệ gen của nó. Những thể biến nạp có chứa ADN ng−ời tách ra từ khối u đ−ợc giữ lại, các tế bào khối u chứa oncogen đã đ−ợc hoạt hoá. Bằng con đ−ờng này ng−ời ta đã phát hiện ra một tập hợp các oncogen giống nh− các oncogen trong các retrovirus biến nạp tinh xảọ
+ Chức năng của oncogen: Tế bào bình th−ờng có các bản sao của tất cả các oncogen của retrovirus, và trên thực tế các gen v-onc đã đ−ợc tải nạp vào trong hệ gen của tế bàọ Trong một vài tr−ờng hợp ngoại lệ, các sản phẩm của các gen v-onc phân biệt với các sản phẩm của gen c-onc (proto-onc) ở sự thay thế hoặc sự ngắn bớt trình tự axitamin phục vụ cho việc hoạt hoá proto-oncogenẹ Việc nghiên cứu oncogenes khởi đầu từ một khám phá cho rằng oncogen của virus có nguồn gốc từ gen mã hoá cho nhân tố sinh tr−ởng B do tiểu cầu bình th−ờng sinh rạ Sự biểu hiện một cách không kiểm soát đ−ợc của các gen này làm tăng quá trình phân chia tế bào lên quá mức. Một số oncogen khác cũng đã đ−ợc làm sáng tỏ, chúng điều khiển chính xác một chức năng nào đó trong tế bào mà chức năng này đ−ợc dự đoán là bị rối loạn trong ung th−. Ng−ời ta đã phân biệt đ−ợc 5 loại lớn sau:
. Các nhân tố sinh tr−ởng đ−ợc bài tiết (vd: SIS) . Các phụ thể bề mặt tế bào (VD: ERBB, FMS)
. Các thành phần trong hệ thống truyền tín hiệu nội bào (VD: RAS, ABL) . Các protein gắn với ADN, gồm cả các nhân tố phiên mã (VD:MYC, JUN)
. Các thành phần trong mạng l−ới cyclin, cyclin phụ thuộc kinaza, các chất ức chế cyclin có vai trò điều khiển chu kỳ tế bào (VD:PRAD1).
Sự gây chết phân tử là do sự hoạt động của hàng loạt các con đ−ờng hoạt hoá các proto- oncogen. Sự hoạt hoá này có liên quan đến việc tăng c−ờng chức năng, có thể về chất l−ợng (sản xuất ra các sản phẩm bị biến đổi do đột biến hoặc sản xuất ra sản phẩm mới từ gen đ−ợc tạo ra do sự tái sắp xếp lại các NST) hoặc về số l−ợng (tăng sản xuất sản phẩm không biến đổi). Những biến đổi này là trội và th−ờng chỉ ảnh h−ởng đến một alen của gen.
Việc hoạt hoá đột biến trong các oncogen vẫn luôn chỉ là các sự kiện sinh d−ỡng (không di truyền sang thế hệ cá thể sau). Các biến đổi đó có thể gây chết, nh−ng điều này chỉ áp dụng cho các đột biến gây hoạt hoá các proto-oncogen, các đột biến khác có thể di truyền đ−ợc mà tác động của chúng chẳng liên quan gì đến ung th−, chẳng hạn các đột biến làm mất chức năng trong oncogen RET sinh ra bệnh Hirschprung. Cả hai tr−ờng hợp đều di truyền đ−ợc theo qui luật trội Menden. Chỉ có một tr−ờng hợp mà trong đó một oncogen đ−ợc hoạt hoá có thể truyền đạt lại đ−ợc cho hậu thế và gây ra ung th− di truyền. Đó là tr−ờng hợp gen RET liên quan đến ung th− tuyến nội tiết và ung th− tuyến giáp di truyền. Trong thực tế, RET là ranh giới trong
việc phân chia tất cả các gen điều hành sự sinh sản tế bào 2 nhóm oncogenes và TS, một gen khác cũng khó phân biệt là TP53 (thiên về nhóm TS hơn).
Bảng 5.1: Chức năng của một số nhóm oncogenes
+ Hoạt hoá oncogen bằng sự khuyếch đại: Rất nhiều tế bào ung th− có chứa nhiều bản copy cấu trúc của các oncogen bình th−ờng. Có tới hàng trăm bản copy thêm xuất hiện trong tế bào, chúng có thể tồn tại nh− một NST nhỏ riêng biệt hoặc chèn vào các NST th−ờng (các vùng bắt màu đồng nhất, HSRs). Sự hình thành các HSRs rất phức tạp vì chúng có chứa các trình tự bắt nguồn từ các NST khác nhaụ Trong tất cả các tr−ờng hợp, kết quả đều làm tăng mức độ biểu hiện của gen.
+ Chuyển đoạn các NST để tạo ra các gen thể khảm mới: Các tế bào ung th− có kiểu gen rất không bình th−ờng, một số NST bị mất, một số khác lại có thêm nhiều bản sao và rất nhiều chuyển đoạn. . Hầu hết các biến đổi này là ngẫu nhiên và nó phản ánh tính mất ổn định của hệ gen.
NST Philadenphia (Ph1) đ−ợc tạo ra do sự tái sắp xếp đặc hiệu ung th−, nó là một NST tâm mút dạng que đ−ợc tìm thấy trong 90% bệnh nhân mắc bệnh bạch cầu tuỷ mãn tính. NST này đ−ợc hình thành do sự chuyển đoạn cân bằng giữa hai NST số 9 và 22. Điểm đứt gãy trên NST số 9 nằm trong một vùng intron của oncogen ABL. Sự chuyển đoạn gia nhập hầu hết trình tự của gen ABL vào một gen có tên BCL trên NST 22, tạo một gen mới hợp nhất. Sản phẩm của gen này là một kinase tyrosin t−ơng đồng với sản phẩm ABL nh−ng có tính chất bất th−ờng.
+ Các oncogen hoạt hoá bằng sự chuyển chỗ đến một vùng nhiễm sắc chất hoạt động: U bạch huyết Burkitt là một bệnh ung th− phổ biến ở các vùng bị nhiễm sốt rét thuộc trung tâm châu Phi do sự hoạt hoá của oncogen MYC. Một chuyển đoạn NST t(8;14) (q24;q32) đ−ợc tìm thấy trong 75-85% bệnh nhân. Các NST sau khi chuyển đoạn có t(2;8) (p12;q24) hoặc t(8;22) (q24;q11), mỗi chuyển đoạn này đặt oncogen MYC gần locus Ig, IGH ở đoạn 14q32, IGK ở đoạn 2p12 hoặc IGL ở đoạn 22q11. Không giống các chuyển đoạn đặc hiệu ung th−, các chuyển đoạn u bạch huyết Burkitt không tạo ra các gen thể khảm mới, thay vào đó, chúng đặt oncogen vào một môi tr−ờng nhiễm sắc chất hoạt động phiên mã mạnh trong các tế bào B sinh ra kháng thể. Th−ờng thì exon 1 của gen MYC không tham gia vào đoạn đ−ợc chuyển, thiếu bộ
máy điều hoà bình th−ờng lại đ−ợc đặt vào một domain nhiễm sắc chất hoạt động nên MYC đ−ợc biểu hiện ở mức độ caọ
Rất nhiều sự tái sắp xếp NST đặt 1 hoặc 1 số oncogen khác nữa vào trong vùng lân cận của cả gen immunglobin và gen thụ thể tế bào T. Có thể sự tái sắp xếp này tăng lên do sự cố ngẫu nhiên khi sắp xếp các gen IGG và TCR nhờ enzyme recombinase trong quá trình tr−ởng thành của tế bào T và B.
Các thí nghiệm dung hợp chỉ ra rằng kiểu hình bị biến đổi có thể đ−ợc sửa lại invitro bằng sự dung hợp giữa tế bào bị biến đổi với một tế bào bình th−ờng. Điều này chứng minh rằng sự phát sinh ung th− không chỉ liên quan đến các oncogen đã đ−ợc hoạt hoá trội mà còn liên quan các đột biến lặn, mất chức năng trong các gen khác. Chúng là các gen ức chế ung th−. Đôi khi các gen ức chế ung th− còn đ−ợc gọi là các anti-oncogenes nh−ng tên gọi này là saị Giống nh− các oncogen, các gen TS có thể mang rất nhiều chức năng, các ph−ơng pháp tìm hiểu về gen TS đ−ợc phát triển từ một nghiên cứu kinh điển về bệnh ung th− rất hiếm gặp , bệnh ung th− võng mạc mắt, là một bệnh ung th− phát triển từ rất sớm, cần có hai đột biến lặn (hai cú đấm) để biến một tế bào bình th−ờng thành một tế bào ung th−, gen này trong vùng 13q14.