3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.4.3. Đặc điểm kháng nguyên-miễn dịch
Hai protein HA và NA là các protein chính bề mặt capsid (major capsid protein) đặc trưng cho bản chất kháng nguyên của từng chủng vi rút cúm A.
Protein HA (Hemagglutinin)
Protein hemagglutinin là một glycoprotein thuộc protein màng typ I (lectin), có khả năng gây ngưng kết hồng cầu gà trong ống nghiệm (in vitro), kháng thể đặc hiệu
với HA có thể phong tỏa sự ngưng kết đó, được gọi là kháng thể ngăn trở ngưng kết hồng cầu (HI - Hemagglutinin Inhibitory antibody). Có 16 phân typ HA đã được phát hiện (H1 - H16). Phân typ H16 mới được tìm thấy ở vi rút gây bệnh cho Hải Âu đầu đen - Thụy Điển, ba phân typ (H1, H2 và H3) thích ứng lây nhiễm gây bệnh ở người liên quan đến các đại dịch cúm trong lịch sử. Có khoảng 400 phân tử HA trên bề mặt capsid của một vi rút, có vai trò quan trọng trong quá trình nhận diện vi rút và khởi động quá trình xâm nhiễm của vi rút vào tế bào chủ. Phân tử HA có dạng hình trụ, dài khoảng 130 ăngstron (Å), cấu tạo gồm 3 đơn phân (trimer), mỗi đơn phân (monomer) được tạo thành từ haidưới đơn vị HA1 (36 kDa) và HA2 (27 kDa), liên kết với nhau bởi các cầu nối disulfide (-S-S-). Các đơn phân sau khi tổng hợp đã được glycosyl hóa (glycosylation) và gắn vào mặt ngoài capsid là dưới đơn vị HA2, phần đầu tự do hình chỏm cầu được tạo bởi dưới đơn vị HA1 chứa đựng vị trí gắn với thụ thể thích hợp của HA trên bề mặt màng tế bào đích.
Sự kết hợp của HA với thụ thể đặc hiệu (glycoprotein chứa sialic acid) trên bề mặt màng tế bào, khởi đầu quá trình xâm nhiễm của vi rút trên vật chủ giúp cho vi rút xâm nhập, hòa màng và giải phóng RNA hệ gen thực hiện quá trình nhân lên ở trong tế bào cảm nhiễm. Quá trình kết hợp phụ thuộc vào sự phù hợp cấu hình không gian của thụ thể chứa acid sialic của tế bào đích với vị trí gắn với thụ thể này trên phân tử HA của vi rút cúm, quyết định sự xâm nhiễm dễ dàng của vi rút ở các loài vật chủ khác nhau. Vị trí amino acid 226 (aa226) của dưới đơn vị HA1 được xác định là vị trí quyết định phù hợp gắn HA với thụ thể đặc hiệu của nó, ở hầu hết các chủng vi rút cúm A lưu hành trong tự nhiên vị trí này là Glycine, thích ứng với thụ thể Gal α-2, 3 sialic acid (chứa sialic acid liên kết với nhóm hydroxyl (4-OH) của galactose ở góc quay α-2,3) của tế bào biểu mô đường hô hấp của chim và gia cầm (vật chủ tự nhiên của virus cúm A). Ngoài ra, một số vị trí amino acid khác: Glutamine 222, Glycine 224, hay cấu trúc SGVSS và NGQSGR cũng có sự liên quan chặt chẽ đến khả năng thích ứng với thụ thể chứa sialic acid bề mặt màng tế bào chủ. Đặc biệt, một số chủng vi rút cường độc A/H5Nx; A/H7Nx lưu hành hiện nay có thể xâm nhiễm trên người, khi chúng có tải lượng cao trong đường hô hấp (do tiếp xúc trực tiếp với chất thải hay gia cầm nhiễm bệnh).
Trình tự mã hóa chuỗi nối, và thành phần chuỗi nối trên protein HA cũng như các vị trí amino acid liên quan đến khả năng gắn với thụ thể thích ứng, được coi là các chỉ thị phân tử trong nghiên cứu phân tích gen kháng nguyên HA. Protein HA còn là kháng nguyên bề mặt quan trọng của vi rút cúm A, kích thích cơ thể sinh ra đáp ứng miễn dịch dịch thể đặc hiệu với từng typ HA, và tham gia vào phản ứng trung hòa vi rút, được coi là protein vừa quyết định tính kháng nguyên, vừa quyết định độc lực của vi rút, là đích của bảo vệ miễn dịch học nhằm ngăn chặn sự xâm nhiễm của virus ở cơ thể nhiễm, cơ sở điều chế các vaccine phòng cúm hiện nay.
Protein NA (neuraminidase)
Protein neuraminidase còn gọi là sialidase (mã số quốc tế là E.C 3.2.1.18), là một protein enzyme có bản chất là glycoprotein được gắn trên bề mặt capsid của vi rút cúm A, mang tính kháng nguyên đặc trưng theo từng phân typ NA. Có 9 phân typ (từ N1 đến N9) được phát hiện chủ yếu ở vi rút cúm gia cầm, hai phân typ N1 và N2 được tìm thấy ở vi rút cúm người. Có khoảng 100 phân tử NA xen giữa các phân tử HA trên bề mặt capsid hạt vi rút. Phân tử NA có dạng nút lồi hình nấm, đầu tự do (chứa vùng hoạt động) gồm 4 dưới đơn vị giống như hình cầu nằm trên cùng một mặt phẳng, và phần kị nước gắn vào vỏ capsid.
Protein NA có vai trò là một enzyme cắt đứt liên kết giữa gốc sialic acid của màng tế bào nhiễm với phân tử cacbonhydrat của protein HA, giải phóng hạt vi rút ra khỏi màng tế bào nhiễm, đẩy nhanh sự lây nhiễm của vi rút trong cơ thể vật chủ, và ngăn cản sự tập hợp của các hạt vi rút mới trên màng tế bào. Mặt khác, NA tham gia vào phân cắt liên kết này trong giai đoạn “hòa màng”, đẩy nhanh quá trình cởi áo “uncoating” giải phóng hệ gen của vi rút vào trong bào tương tế bào nhiễm, giúp cho quá trình nhân lên của vi rút diễn ra nhanh hơn. Ngoài ra, NA còn phân cắt các liên kết glycoside, giải phóng neuraminic acid làm tan loãng màng nhầy bề mặt biểu mô đường hô hấp, tạo điều kiện cho vi rút nhanh chóng tiếp cận tế bào biểu mô và thoát khỏi các chất ức chế không đặc hiệu. Cùng với vai trò của kháng nguyên HA, cả 3 khâu tác động trên của NA đều tham gia làm gia tăng độc lực gây bệnh của vi rút cúm A ở cơ thể vật chủ. Do đó, NA là đích tác động của các thuốc, hóa dược ức chế vi rút không đặc hiệu hiện nay, đặc biệt là Oseltamivir (biệt dược là Tamiflu) phong tỏa enzyme này, ngăn cản sự giải phóng hạt vi rút mới khỏi các tế bào đích, bảo vệ cơ thể.
Nguy hiểm nhất là kháng nguyên vi rút cúm typ A có khả năng tổ hợp biến chủng dẫn đến sự biến đổi liên tục về tính kháng nguyên. Chúng có hai khả năng đột biến (Ito and Kawaoka, 1998).
Đột biến điểm (còn gọi là đột biến ngẫu nhiên hoặc hiện tượng trôi dạt - antigenic drift). Đây là kiểu đột biến xảy ra thường xuyên, đặc biệt là đối với kháng nguyên H và kháng nguyên N tạo ra những thay đổi nhỏ về trình tự nucleotide của gen mã hóa cho kháng nguyên H và kháng nguyên N. Kết quả là tạo ra các phân typ cúm hoàn toàn mới có tính thích ứng loài vật chủ khác nhau và mức độ độc lực gây bệnh khác nhau. Chu kỳ của bệnh cúm hàng năm phụ thuộc vào sự kết hợp của tốc độ biến đổi, thời gian ủ bệnh và sự biến đổi theo mùa của khí hậu.
Đột biến tái tổ hợp di truyền (còn gọi là đột biến có tính chuyển đổi - antigenic shift). Hiện tượng tái tổ hợp gen ít xảy ra hơn so với hiện tượng đột biến điểm. Một số chủng vi rút chỉ gây bệnh cho gia cầm mà không gây bệnh cho người (Ian, 1982; Kawaoka, 1991).
Một số chủng khác lại chỉ gây bệnh cho người mà không gây bệnh cho gia cầm. Trong một số trường hợp, cả vi rút cúm người và vi rút cúm gia cầm có thể cùng nhiễm vào động vật thứ 3 (có thể là lợn). Hiện tượng tái tổ hợp gen chỉ xảy ra khi 2 hoặc nhiều loại vi rút cúm khác nhau cùng nhiễm vào một tế bào chủ do sự trộn lẫn 2 bộ gen của vi rút. Đột biến này là sự tổ hợp di truyền xảy ra định kỳ trong đó có sự sắp xếp lại các nucleotit do sự trộn lẫn 2 bộ gen của vi rút cúm khác nhau. Điều đó đã tạo nên những sai khác cơ bản về bộ gen của vi rút đời con so với virus bố mẹ. Khi nhiều vi rút khác nhau cùng xâm nhiễm vào một tế bào chủ, các thế hệ vi rút được sinh ra từ sự tái tổ hợp của các gen bố mẹ xuất phát từ nhiều vi rút khác nhau.
Khi phân tích 156 chủng vi rút cúm A lưu hành trong thời kỳ 1999 - 2004 tại New York, các nhà khoa học đã phát hiện một số chủng thay đổi ít nhất 4 lần trong một thời gian ngắn. Điều đó cho thấy các chủng vi rút cúm có thể biến đổi lớn trong mỗi mùa, gây khó khăn lớn cho công tác phòng chống. Khi nghiên cứu di truyền học của vi rút H5N1 các nhà khoa học của Việt Nam cũng nhận thấy chúng có nhiều thay đổi. Trong các đàn vịt nuôi của Việt Nam không chỉ mang vi rút cúm gia cầm H5N1 mà còn có nhiều loại vi rút cúm gia cầm khác như H3, H4, H7, H8, H9 và H11 (Nguyễn Tiến Dũng, 2004).
Khi xâm nhập nhiễm vào cơ thể động vật, vi rút cúm A kích thích cơ thể sản sinh ra kháng thể đặc hiệu. Trong đó, quan trọng hơn cả là kháng thể kháng HA, chỉ có kháng thể này mới có vai trò trung hòa vi rút cho bảo hộ miễn dịch. Một số kháng thể khác có tác dụng kìm hãm sự nhân lên của vi rút, kháng thể kháng M2 ngăn cản chức năng M2 không cho quá trình bao gói vi rút xảy ra (Klenket al, 1983).
Kháng thể đặc hiệu của kháng nguyên HA có khả năng trung hòa các loại vi rút tương ứng, chúng là kháng thể trung hòa có khả năng triệt tiêu vi rút gây bệnh. Nó có thể phong tỏa sự ngưng kết bằng cách kết hợp với kháng nguyên HA. Do vậy thụ thể của hồng cầu không bám vào được để liên kết tạo thành mạng ngưng kết. Người ta gọi phản ứng đặc hiệu KN - KT có hồng cầu tham gia là phản ứng ngăn cản ngưng kết hồng cầu HI.