1.3.1. Cấu trúc của gen APC
Gen APC nằm ở nhánh dài vùng 2 băng 1 (5q21) của nhiễm sắc thể thứ 5. Gen APC ở dạng phổ biến nhất gồm 8.535 cặp base bao gồm 15 exon và mã hóa cho một protein gồm 2.843 acid amin. Exon 10A nằm ở phần cuối của exon 10, là bổ sung 18 acid amin ở protein APC khi sao chép [48]. Exon 15 chiếm trên 75% chuỗi mã hóa của gen APC và là vùng hay gặp nhất của cả các đột biến tế bào sinh dục (germline mutations) và của cả các đột biến tế bào sinh dƣỡng (somatic mutations).
Gen Adenomatous Polyposis Coli (APC) là một gen ức chế khối u. Các đột biến ở gen APC đã đƣợc tìm thấy không chỉ ở phần lớn các KĐTT mà còn
ở một số ung thƣ khác, chẳng hạn nhƣ ở ung thƣ gan. Groden và cộng sự (1991) cho thấy các đột biến dòng mầm của gen APC thƣờng dẫn đến bệnh đa polyp tuyến gia đình (familial adenomatous polyposis: FAP), đƣợc đặc trƣng bởi hàng trăm đến hàng ngàn khối u (polyps) trong đại tràng [58]. Các đột biến ở gen APC đã đƣợc phát hiện ở khoảng 80% bệnh đa polyp tuyến gia đình cũng nhƣ ở 60% ung thƣ đại tràng thể ngẫu nhiên [102].
1.3.2. Cấu trúc của protein APC
Sản phẩm của gen APC là một protein APC gồm 2.843 acid amin, với khối lƣợng phân tử 312 kDa, gồm nhiều vùng (domains) liên kết với các protein khác nhƣ các protein β-catenin, Axin, CtBP, Asefs, IQGAP1, EB1 và các vi ống (microtubules), thực hiện nhiều chức năng khác nhau, nhằm ức chế khối u (Hình 1.3).
Hình 1.3. Cấu trúc của protein APC và các vùng chức năng. (Fearhead và cs 2001 [49])
Vùng chuỗi ngắn: từ codon 1 đến 57. Vùng Amadillo: từ codon 453 đến 767.
Vùng lặp lại 15 acid amin: từ codon 1020 đến codon 1170. Vùng lặp lại 20 acid amin: từ codon 1265 đến codon 2035. Vùng gắn Axin: vùng đánh dấu sao.
Vùng cơ bản: từ codon 2200 đến codon 2400.
Vùng chuỗi ngắn Vùng Armadillo Vùng lặp lại 15 a.a Vùng lặp lại 20 a.a Vùng cơ bản Vùng gắn EB1 Vùng gắn đĩa lớn của ngƣời Số Codon
Vùng gắn EB1: từ codon 2559 đến codon 2771.
Vùng gắn đĩa lớn của ngƣời (Human disk large binding site): từ codon 2771 đến codon 2843.
Protein APC gồm 6 vùng chức năng chính là: vùng Armadillo, vùng lặp lại 15 acid amin, vùng lặp lại 20 acid amin, vùng cơ bản, vùng gắn EB1 và vùng gắn axin.
1.3.2.1. Vùng Armadillo: là vị trí gắn của β-catenin, GSK3β và axin, sự gắn này có tác dụng kích thích sự phosphoryl hóa và sự thoái hóa của β-catein, giải phóng β-catenin khỏi nhân tế bào, giữ cho β-catein không tƣơng tác với TCF, kiểm soát sự phân bố của β-catenin giữa nhân tế bào/ bào tƣơng tế bào và màng bào tƣơng, làm tăng mức độ E-cadherin ở màng bào tƣơng và hoạt hóa Asef1, Asef2 và Cdc42, kìm hãm sự sao chép theo con đƣờng Wnt kinh điển, kích thích sự bám dính và sự di cƣ của tế bào [25], [49].
1.3.2.2. Vùng lặp lại 15 acid amin: có cấu trúc tƣơng tự vùng Armadillo. Ngoài ra, vùng này còn là vị trí gắn CtBP, tạo nên phức hợp kìm hãm sự sao chép theo con đƣờng Wnt kinh điển, kích thích sự bám dính của tế bào [25], [49].
1.3.2.3. Vùng lặp lại 20 acid amin: có cấu trúc tƣơng tự vùng Armadillo, kích thích sự bám dính của tế bào [49].
1.3.2.4. Vùng cơ bản: vùng cơ bản ở protein APC là vị trí gắn của các vi ống. Sự gắn của các vi ống vào protein APC có tác dụng điều hòa các chức năng của tâm động là nơi các sợi thoi đính vào trong quá trình phân chia tế bào để phân ly thể nhiễm sắc thể [25].
1.3.2.5. Vùng gắn EB1: việc gắn EB1 vào protein APC tạo điều kiện dễ dàng cho hoạt động của Rho và mDia, làm ổn định và polymer hóa các vi ống, giúp cho việc phân chia nhiễm sắc thể chính xác [25].
1.3.2.6. Vùng gắn Axin: Axin gắn với APC giữa các vị trí chứa 20 acid amin lặp đi lặp lại thứ ba và thứ tƣ, thứ tƣ và thứ năm và sau đoạn thứ bảy. Axin cùng với β-catenin đã gắn vào protein APC tạo thành một phức hợp có tác
dụng ức chế sự sao chép của β-catenin/TCF, điều này hoạt hóa Myc và cyclin D1, có tác dụng kiểm soát sự tăng sinh và biệt hóa của tế bào [49]).
Động vật có vú và ruồi giấm đều mang hai gen APC: động vật có vú mang hai gen APC và APC2 và ruồi giấm mang hai gen dAPC1 và dAPC2/E- APC [31]. Protein APC ở ngƣời có 2.843 gốc acid amin trong khi protein APC2 chỉ chứa 2303 acid amin (Hình 1.5). Các protein dAPC1 và dAPC2 tƣơng ứng ở ruồi giấm có 2.416 và 1.067 acid amin. Ở các động vật có vú, gen APC đƣợc biểu hiện ở phần lớn các mô bào thai và ở các tế bào biểu mô trƣởng thành, trong khi đó gen APC2 đƣợc biểu hiện ở mức độ cao trong não. Mặc dù các vai trò của APC2 trong bệnh sinh khối u và hằng định nội môi hãy còn chƣa đƣợc biết một cách rõ ràng nhƣng APC2 không đủ khả năng bù cho sự mất hoạt tính ức chế khối u của gen APC, nên sự mất gen APC trong ruột sẽ kích thích sự tăng sinh của tế bào và sự hình thành polyp [63]. Ở ruồi giấm, gen dAPC1 đƣợc biểu hiện mạnh ở hệ thống thần kinh trung ƣơng và ở tế bào dòng mầm, trong khi dAPC2 đƣợc thể hiện một cách rộng rãi ở nhiều mô. Khi dAPC2 bị đột biến, dAPC1 xuất hiện để bù đắp cho sự thiếu hụt
dAPC2 trong sự điều hòa tín hiệu Wnt ở nhiều mô.
1.3.3. Các chức năng của gen APC và protein APC
Ung thƣ đại trực tràng là một bệnh có nguồn gốc từ các tế bào biểu mô trong đại tràng hoặc trực tràng do các đột biến trên con đƣờng tín hiệu Wnt. Tên Wnt là sự kết hợp giữa hai cụm từ viết tắt là Wg (wingless) và Int. Gen
wingless chịu trách nhiệm trong việc hình thành cánh của ruồi giấm. Sau này
Wg đƣợc phát hiện là có vai trò quan trọng trong quá trình phát triển bào thai. Gen Int đƣợc xác định là gen của động vật có xƣơng sống nằm ở một số vị trí mà MMTV (mouse mammary tumor virus) có thể xâm nhập [19]. Có hơn 20 yếu tố thuộc vào gia đình yếu tố phát triển Wnt ở ngƣời. Chúng là các protein
có trọng lƣợng phân tử khoảng 40 kDa với >30% độ tƣơng đồng. Trong suốt quá trình phát triển của bào thai, các protein Wnt có chức năng làm phát triển và tạo hình thái cho nhiều cơ quan khác nhau, đặc biệt là cấu trúc biểu mô hình ống (tubular), các vi nhung mao (ductular) ở thận và ruột. Các protein then chốt của con đƣờng tín hiệu Wnt tƣơng tác với nhiều con đƣờng tín hiệu khác. Các yếu tố Wnt đƣợc nhận biết bởi các protein thụ thể Frizzled (FZD) ở bề mặt tế bào. Điểm quyết định ở con đƣờng này chính là sự liên kết và hoạt hóa β-catenin. Trong khi chất này bị ức chế bởi hoạt động phối hợp của một vài protein khác bao gồm APC, axin và GSK3β. Vì thế, con đƣờng tín hiệu này đƣợc gọi là Wnt/β-catenin hay con đƣờng tín hiệu kinh điển. Sự mất điều hòa của con đƣờng Wnt là do mất chức năng của các chất điều hòa âm tính, nhƣ là APC hoặc axin hoặc bởi đột biến sinh ung thƣ hoạt hóa β-catenin [19].
Protein APC là một chất ức chế trên protein β-catein. Bình thƣờng, protein APC ức chế con đƣờng Wnt kinh điển bằng cách gắn với β-catenin, GSK3β và Axin để kích thích sự phosphoryl hóa và sự thoái hóa của β- catenin [66], giải phóng β-catenin khỏi nhân tế bào, làm β-catenin không tƣơng tác với TCF và gắn với CtBP tại vùng lặp lại 15 acid amin để tạo phức hợp kìm hãm đối với bộ máy sao chép, ức chế sự sao chép các gen đích của con đƣờng tín hiệu Wnt [63]. Khi gen APC bị đột biến tạo protein APC bị mất chức năng ức chế; con đƣờng tín hiệu Wnt đƣợc khởi động. Sự mất chức năng protein APC dẫn đến tích tụ β-catenin trong nhân tế bào, điều này gây nên sự kích hoạt yếu tố tế bào T (T-cell factor: TCF) và yếu tố tăng cƣờng bạch huyết (Enhancer lymphoid factor: LEF) là các yếu tố sao chép [29] - các đối tƣợng của con đƣờng tín hiệu Wnt. β-catenin đi vào nhân tế bào, gắn vào DNA và hoạt hóa nhiều gen đích của Wnt, kích thích sự tăng sinh của các tế bào làm sự phát triển tế bào không kiểm soát đƣợc gây nên các khối u đƣờng ruột [29], [49].
Hình 1.4. Cơ chế bệnh sinh của ung thƣ đại trực tràng với con đƣờng tín hiệu Wnt (theo Fearnhead NS và cộng sự [49])
Tuy nhiên, ngoài những khiếm khuyết ở con đƣờng tín hiệu hỗn hợp Wnt-APC-β-catenin, các đột biến khác cũng tham gia vào việc biến một tế bào bình thƣờng trở thành tế bào ung thƣ. Protein TP53 - một protein đƣợc sản xuất bởi gen p53 - bình thƣờng có tác dụng giám sát sự phân chia tế bào và giết các tế bào nếu các tế bào này có các khiếm khuyết ở con đƣờng tín hiệu Wnt. Kết quả là, một dòng tế bào có đột biến trên gen p53 có thể bị chuyển dạng mô từ một u tuyến thành một ung thƣ biểu mô xâm lấn. Đôi khi gen p53 không đột biến nhƣng một protein bảo vệ khác là BAX bị tổn thƣơng do gen của nó bị đột biến.
Các protein gây chết tế bào theo chƣơng trình khác nhƣ yếu tố phát triển chuyển dạng TGF-β thƣờng bị bất hoạt trong các ung thƣ đại tràng.
Sự phát triển tế bào không kiểm soát đƣợc Sự phát triển tế bào đƣợc kiểm soát
B. Tế bào ung thƣ đại tràng
APC (-) Wnt (+)
A. Tế bào biểu mô đại tràng bình thƣờng
β- catenin bị thoái hóa β-catenin đƣợc ổn định APC (+) Wnt (-)
TGF-β bị đột biến gây bất hoạt ở ít nhất một nửa số ngƣời bị ung thƣ đại trực tràng. Đôi khi TGF-β không bị bất hoạt nhƣng một protein là SMAD - một protein có vai trò điều chỉnh hoạt động yếu tố phát triển chuyển dạng TGF-β - bị bất hoạt. Trong ung thƣ đại trực tràng, DCC - gen sản xuất ra protein DCC (một protein ức chế ung thƣ) - thƣờng có sự xóa ở đoạn nhiễm sắc thể của nó.
Một số gen là các gen sinh ung thƣ (oncogenes) bị thể hiện quá mức trong ung thƣ đại trực tràng ví dụ: các gen RAS, RAF và PI3K. Gen PTEN
bình thƣờng có vai trò ức chế PI3K nhƣng đôi khi gen PTEN bị đột biến. Chức năng của gen APC đƣợc thể hiện qua chức năng của sản phẩm sao chép và sinh tổng hợp của nó là protein APC. Protein APC là một protein đa chức năng, gồm 6 chức năng chính:
1.3.3.1. Protein APC kìm hãm con đường tín hiệu Wnt kinh điển
APC đóng một vai trò trung tâm trong sự kìm hãm con đƣờng tín hiệu Wnt để kiểm soát sự tăng sinh của tế bào và sự biệt hóa ở ruột, ở da [100], ở hệ thống miễn dịch [41], ở xƣơng [52] và ở não [34]. Khi cơ chế này đƣợc kích hoạt, β-catenin sẽ hoạt hóa sự sao chép phụ thuộc TCF của gen đích của Wnt nhƣ gen CCND1, gen Myc và gen EphB [30].
ÀPC hoàn chỉnh Lặp lại 15 a.a Lặp lại 20 a.a Lặp lại SAMP (vùng gắn Axin Vùng chuỗi ngắn Vùng Armadillo Vùng gắn β-catenin Vùng tập trung đột biến Vùng gắn CtBP Vùngcơ bản Vùng gắn EB1 Vùnggắn HLDG Gắn Asef1, Asef2 & IQGAP1 Gắnβ-catenin Gắn các vi cấu trúc Gắn EB1 Cdc42, Rac1 & CLIP-170 Sựdi cƣ tếbào Sựbám dính tế bào Ức chếsựsao chép β-catenin /TCF Chức năng tâm động Phân chia nhiễm sắc thể Kiểm soát sự tăng sinh
và biệt hoá Ổn định các vi ống APC bịcắt ngắnởđầu tận C Kích thích sựsao chép β-catenin /TCF Cảmứng mất chức năng tâm động Kích thích sự
tăng sinh và biệt hoá
Cảmứng sựmấtổn định nhiễm sắc thể Hoạt hóa Asef Kích thích mạnh sựdi cƣ tếbào Kích thích Ức chế Kích thích Ức chế ÀPC1 của ruồi giấm ÀPC2 của ruồi giấm ÀPC1 của ngƣời ÀPC1 của chuột ÀPC2 của ngƣời ÀPC2 của chuột ÀPC hoàn chỉnh Lặp lại 15 a.a Lặp lại 20 a.a Lặp lại SAMP (vùng gắn Axin Vùng chuỗi ngắn Vùng Armadillo Vùng gắn β-catenin Vùng tập trung đột biến Vùng gắn CtBP Vùngcơ bản Vùng gắn EB1 Vùnggắn HLDG Gắn Asef1, Asef2 & IQGAP1 Gắnβ-catenin Gắn các vi cấu trúc Gắn EB1 Cdc42, Rac1 & CLIP-170 Sựdi cƣ tếbào Sựbám dính tế bào Ức chếsựsao chép β-catenin /TCF Chức năng tâm động Phân chia nhiễm sắc thể Kiểm soát sự tăng sinh
và biệt hoá Ổn định các vi ống APC bịcắt ngắnởđầu tận C Kích thích sựsao chép β-catenin /TCF Cảmứng mất chức năng tâm động Kích thích sự
tăng sinh và biệt hoá
Cảmứng sựmấtổn định nhiễm sắc thể Hoạt hóa Asef Kích thích mạnh sựdi cƣ tếbào Kích thích Ức chế Kích thích Ức chế ÀPC1 của ruồi giấm ÀPC2 của ruồi giấm ÀPC1 của ngƣời ÀPC1 của chuột ÀPC2 của ngƣời ÀPC2 của chuột
Hình 1.5. Các vùng chức năng đa dạng của protein APC và các đột biến cắt ngắn gây nên sự mất chức năng của nó, dẫn đến sự tạo thành các polyp và ung thƣ đại trực tràng
(A) Các protein APC1 và APC2 ở ruồi dấm, chuột và người
(B) Sơ đồ các vùng của protein APC và chức năng của chúng. Mũi tên màu đỏ và
màu xanh cho biết sự “kích hoạt” và “ức chế” tương ứng
(C) Sơ đồ của một dạng protein APC bị cắt ngắn ở đầu tận C và vai trò của nó
Protein APC kìm hãm con đƣờng Wnt kinh điển bằng cách gắn với β- catenin, GSK3β và Axin để kích thích sự phosphoryl hóa và sự thoái hóa của β-catenin [66], gắn với β-catenin tại các vùng lặp lại Armadillo, vùng lặp lại 15 hoặc 20 acid amin, để giải phóng β-catenin khỏi nhân tế bào, làm β-catenin không tƣơng tác với TCF và gắn với CtBP tại vùng lặp lại 15 acid amin để sắp xếp lại phức hợp kìm hãm đối với bộ máy sao chép [63].
1.3.3.2. Protein APC kích thích sự bám dính tế bào
Protein APC đƣợc tìm thấy ở màng bào tƣơng của các tế bào biểu mô động vật có vú cả trong cơ thể và cả trong nuôi cấy [85]. Protein APC kích thích sự bám dính tế bào bằng cách gắn β-catenin tại các vùng lặp lại Armadillo, các vùng lặp lại 15 hoặc 20 acid amin, để kiểm soát sự phân bố của β-catenin giữa nhân tế bào/ bào tƣơng tế bào và màng bào tƣơng của tế bào, đồng thời làm tăng mức độ E-cadherin ở màng bào tƣơng của tế bào [38], [48], [63], [73]. Sự bất hoạt protein APC cũng đƣợc cho là thúc đẩy sự sinh khối u qua việc làm mất độ bám dính của tế bào [63].
1.3.3.3. Protein APC kích thích sự phân cực và di cư của tế bào
Protein APC điều hòa sự phân cực và sự di cƣ của tế bào thông qua sự kiểm soát của bộ khung actin [20].
Protein APC kích thích sự di cƣ của tế bào bằng cách gắn vào Acef1 và Acef2 các vùng lặp lại Armadillo để hoạt hóa chúng và hoạt hóa Cdc42 [72], [64]; gắn vào IQGAP1 tại các vùng lặp lại Armadillo để thu thập IQGAP1 và CLIP170 [98], [118] tạo nên một phức hợp với IQGAP1, CLIP170, Rac1 và Cdc42 đã đƣợc hoạt hóa tạo nên mạng lƣới actin; gắn với EB1 tại vùng gắn EB1 tạo điều kiện dễ dàng cho hoạt động của Rho và mDia, làm ổn định và polymer hóa các vi ống, giúp cho việc phân chia nhiễm sắc thể chính xác [89].
1.3.3.4. Protein APC làm ổn định mạng lưới các vi ống
APC đƣợc tìm thấy ở cuối của các vi ống, nó có thể bám vào và ổn định các vi ống. Ngƣời ta cho rằng vai trò của APC và EB1 là cùng với Rho và protein mDia giúp cho sự ổn định của các vi ống [75], [88], [92], [93]. Vì APC có thể tạo thành một phức hợp với EB1 và mDia ở phần cuối của các vi ống ổn định nên sự tham gia của APC vào sự di cƣ của tế bào có thể là do sự kết hợp với mDia. Do đó, APC có thể kích thích sự di cƣ tế bào qua một vài