SỰ TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ GIAO LƯU THÔNG TIN TẾ BÀO (CELL SIGNALING AND COMMUNICATION) pps

CHƯƠNG XIV

SỰ TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ GIAO LƯU THÔNG TIN TẾ BÀO

(CELL SIGNALING AND COMMUNICATION)

Những năm cuối thế kỷ 20, một lĩnh vực sinh học phân tử tế bào gây ấn tượng mạnh là tín

hiệu tế bào (cell signaling) đã phát triển nhanh và sẽ tiếp tục tiến triển trong thế kỉ 21. E.W.

Sutherland là người mở đầu cho các nghiên cứu về các thông điệp (messenger) hóa học và tác

động của chúng lên các con đường tín hiệu - dịch chuyển (signal-transduction). Ông đã nhận giải

Nobel năm 1971 về công trình nghiên cứu này.

Sự giao lưu thông tin (communication) ở cấp độ tế bào có ý nghĩa sống còn đối với sự sống.

Mối quan hệ tế bào-tế bào đặc biệt quan trọng ở các sinh vật đa bào. Hàng tỷ tế bào của cơ thể

người và các động thực vật khác đã truyền thông tin lẫn nhau để thiết lập sự điều phối chính xác

và hài hòa cho sự phát triển của cơ thể từ một hợp tử thành các mô, cơ quan khác nhau, hoạt động

sống bình thường và sinh sản tạo thế hệ mới. Tín hiệu tế bào cũng không kém phần quan trọng đối

với các vi sinh vật đơn bào, cả sinh vật nhân sơ Prokaryotae lẫn nhân chuẩn Eukaryotae, nhất là

khi chúng bắt cặp (mating) trong sinh sản hữu tính.

Một trong những chức năng quan trọng của màng tế bào là tiếp nhận thông tin nhờ các cơ

chế tinh vi, chính xác mà nhiều vấn đề còn chưa rõ.

I. KHÁI QUÁT VỀ TRUYỀN TÍN HIỆU TẾ BÀO

1. Tín hiệu tế bào xuất hiện rất sớm trong tiến hoá

Ở vi khuẩn Escherichia coli (E. coli), các thụ thể (receptor) bề mặt tế bào của các con đường

tín hiệu (signaling pathways) giúp tế bào đáp ứng với sự thay đổi nồng độ phosphate bên ngoài và

các chất dinh dưỡng khác. Trong hiện tượng giao nạp hay tiếp hợp (conjugation), hai tế bào E.

coli khác nhau (F–

và F+ hoặc Hfr) nhờ các tín hiệu mới có thể gặp nhau để trao đổi thông tin di

truyền.

Các vi sinh vật nhân chuẩn đơn bào (nấm men, nấm mốc) tiết ra pheromon (chất dẫn dụ) để

phối hợp các tế bào tham gia vào quá trình sinh sản hoặc biệt hoá ở điều kiện môi trường nào đó.

Nấm men Saccharomyces cerevisiae có tế bào gồm 2 kiểu bắt cặp (mating type) là a và α, mà sự

kết hợp của 2 loại tế bào này tạo hợp tử lưỡng bội (2n NST) dẫn đến giảm phân tạo giao tử đơn

bội (n) cho sinh sản hữu tính.Các yếu tố bắt cặp ở nấm men S. cerevisiae chính là một kiểu phát

tín hiệu nhờ pheromon giữa các tế bào.

Như vậy, các sự truyền tín hiệu và thông tin của tế bào đã xuất hiện rất sớm, cách nay nhiều

tỷ năm trong tiến hóa của sinh giới. Điều này khẳng định thêm tầm quan trọng sống còn của các cơ

chế tinh vi và rất phức tạp này.

2. Ba chiến lược truyền thông tin theo khoảng cách ở sinh vật đa bào

Sự truyền thông tin đặc biệt quan trọng và rất phức tạp ở các sinh vật đa bào. Chương trình

phát triển cá thể ở các sinh vật này được thực hiện một cách hoàn hảo và chính xác cả trong không

gian lẫn thời gian (đúng nơi, đúng lúc) một phần quan trọng là nhờ thông tin nội bào và giữa các tế

bào. Ở động vật, các phân tử thông tin ngoại bào thực hiện mối quan hệ giữa các tế bào là những

chất trung gian gồm 3 loại chủ yếu theo khoảng cách tác động : nội tiết (endocrine), cận tiết

(paracrine) và tự tiết (autocrine).

– Sự truyền tín hiệu nội tiết: do chất nội tiết tác động xa từ những tuyến chuyên biệt tiết ra như các

hormone vào dòng máu hoặc dịch ngoại bào tác động đến các tế bào đích khác nhau phân tán

trong cơ thể. Hơn nữa, một số protein màng tác động như các tín hiệu.

– Sự truyền cận tiết: do chất cận tiết tác động đến các tế bào kế cận (xung quanh khoảng 1mm)

bằng các chất thông điệp hóa học cục bộ (local chemical messagers). Sự vận chuyển chất dẫn

truyền thần kinh từ neuron tới neuron (truyền qua sinap (synaptic transmission) là điểm tiếp xúc

giữa các tế bào thần kinh.), từ neuron tới tế bào cơ (cảm ứng hoặc ức chế co cơ) xảy ra qua sự phát

1

tín hiệu cận tiết. Nhiều yếu tố tăng trưởng điều hoà sự phát triển ở sinh vật đa bào cũng tác động ở

phạm vi gần. Một số chúng gắn kết chặt chẽ với chất nền (matrix) ngoại bào, không thành tín hiệu,

nhưng sau đó có thể được phóng thích ở dạng có hoạt tính. Nhiều tín hiệu quan trọng cho sự phát

triển khuếch tán khỏi tế bào tín hiệu, tạo thang (gradient) nồng độ và gây ra các phản ứng đáp trả

khác nhau tuỳ vào nồng độ của chúng ở tế bào đích.

– Sự truyền tín hiệu tự tiết: Trong sự phát tín hiệu tự tiết, tế bào đáp ứng với chất do chúng tiết ra

gọi là chất tự tiết. Một số yếu tố tăng trưởng tác động theo kiểu này và các tế bào nuôi cấy thường

tiết ra các yếu tố tăng trưởng để kích thích sự tăng sinh và phát triển của chúng. Kiểu phát tín hiệu

này rất phổ biến ở tế bào khối u, các tế bào này sản xuất thừa và phóng thích các yếu tố tăng

trưởng để kích thích sự tăng sinh không tương xứng, không kiểm soát của chính chúng cũng như

các tế bào lành lân cận; quá trình này tạo thành khối u.

Các phân tử tín hiệu là các protein xen màng (integral membrane proteins) trên bề mặt tế

bào cũng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển. Trong vài trường hợp, các tín hiệu này trên

màng của một tế bào gắn với các thụ thể (receptor) bề măt của tế bào đích lân cận gây biệt hoá

chúng. Ở các trường hợp khác, sự phân cắt protein tín hiệu xen-màng phóng thích vùng ngoại sinh

chất để nó làm chức năng như là protein tín hiệu hoà tan.

Một số phân tử tín hiệu có thể tác động cả biên độ ngắn và dài. Chẳng hạn, epinephrine

hoạt động như chất truyền thần kinh (tín hiệu cận tiết) và như hormone cơ thể (tín hiệu nội tiết). Ví

dụ khác là yếu tố tăng trưởng biểu bì EGF (epidermal growth factor) được tổng hợp như protein

xen màng sinh chất. EGF xen màng có thể gắn và phát tín hiệu tới tế bào lân cận nhờ tiếp xúc trực

tiếp. Sự phân cắt nhờ protease ngoại bào sẽ phóng thích EGF dạng tan, mà nó có thể tạo tín hiệu

theo cơ chế cận tiết hoặc tự tiết.

Trong mỗi trường hợp, tế bào tiêu điểm đáp lại các tín hiệu ngoại bào đặc hiệu nhờ những

protein chuyên biệt gọi là các thụ thể (receptors) gắn với phân tử thông tin và có phản ứng đáp lại.

Nhiều tín hiệu hóa học tác động với những nồng độ rất thấp. Những tế bào khác nhau có thể phản

ứng không giống nhau đáp lại cùng một tín hiệu thông tin. Ví dụ, acetylcholin kích thích sự co cơ

xương, nhưng nó làm giảm nhịp và lực co cơ tim.

Các nghiên cứu gần đây làm sáng tỏ nhiều chi tiết của các tín hiệu và thông tin của tế bào

và các mối quan hệ phức tạp trong điều hòa hoạt động nội bào cũng như tiếp nhận thông tin ngoại

bào.

3. Các giai đoạn của sự truyền tín hiệu : thu nhận, chuyển đổi và đáp trả

Nhóm của Sutherland đã nghiên cứu phương thức hormone động vật epinephrine kích

thích sự phân hủy glycogen dự trữ trong gan và cơ. Họ phát hiện ra rằng epinephrine kích thích sự

phân hủy glycogen bằng cách nào đó hoạt hóa glycogen phosphorylase, một enzyme tế bào chất.

Tuy nhiên, thí nghiệm in vitro cho thấy khi thêm epinephrine vào ống nghiệm chứa hổn hợp

enzyme phosphorylase và cơ chất glycogen của chúng thì sự phân hủy glycogen không xảy ra.

Epinephrine chỉ có thể hoạt hóa glycogen phosphorylase khi hormone bổ sung vào dung dịch chứa

các tế bào nguyên trạng (intact cells). Kết quả cho thấy hai điều : thứ nhất, epinephrine không tác

động trực tiếp lên enzyme phân hủy glycogen; một hoặc hàng loạt bước trung gian diễn ra bên

trong tế bào; thứ hai, màng sinh chất bằng cách nào đó thực hiện việc chuyển tín hiệu epinephrine.

Ngay thời gian đầu, ông cho rằng quá trình có thể chia làm 3 giai đoạn. Ngày nay, quá trình được

mô tả trên sơ đồ đơn giản hóa như sau (hình 14.1).

2