DÒNG THÁC LỘ TRÌNH TÍN HIỆU (SIGNALING TRANSDUCTION

CASCADES)

Cơ chế của lộ trình tính hiệu

Sau khi có sự tìm hiểu chi tiết về từng loại thụ thể một, bây giờ ta sẽ cùng đặt chúng trong mối

quan hệ tổng hòa của một số lộ trình tín hiệu (signaling transduction) dưới quan điểm của hóa

sinh phân tử (molecular biochemistry) để có được cái nhìn hoàn chỉnh từ phân tử đến chức năng.

Lộ trình tín hiệu hiểu ở mức tế bào có nghĩa là sự chuyển thông tin từ bên ngoài vào trong tế bào.

Sự truyền tín hiệu có thể đơn giải như các quá trình liên quan đến thụ thể của acetylcholine

(những thụ thể có cấu tạo kênh, thông qua sự tương tác với ligand sẽ cho phép tín hiệu đi qua

dưới dạng một ion nhỏ vào hoặc ra khỏi tế bào. Sự di chuyển của những ion này làm thay đổi

điện thế màng và lan tỏa trên toàn thể tế bào đó). Lộ trình tín hiệu phức tạp hơn liên quan đến

hàng loạt các đáp ứng khác nhau kể từ khi ligand nối kết với thụ thể. Trong đó có thể kể đến sự

phosphoryl hóa của tyrosine kinase hoặc/và serine/threonine kinase. Sự phosphoryl hóa protein

thay đổi hoạt tính của enzyme và sự hình thành của các protein có liên quan khác, do đó thay đổi

hoạt động của tế bào và quá trình biểu hiện gene, gây ra sự đáp ứng tế bào.

Phân tử tín hiệu

Phân tử tín hiệu là những phân tử hóa học được tiết ra từ một tế bào có khả năng khởi động một

chuỗi phản ứng sinh học nội bào qua trung gian thụ thể. Do vậy có thể xem nó như một phương

tiện liên lạc của tế bào, được gọi là SM (signaling molecule). Các SM được tạo ra để tế bào

kiểm soát hoạt động của chính nó (autocrine) hoặc lân cận (paracrine) hay phóng thích vào máu

để đến kiểm soát hoạt động của tế bào khác (endocrine). Sự khác biệt cơ bản giữa các hình thức

này là thời gian, paracrine và autocrine cho đáp ứng tức thì, còn endocrine cho đáp ứng sinh học

chậm hơn nhiều.

Có thể xem đây như một ligand. Có 2 đặc tính cơ bản sau:

- Các ligand có thể gắn kết với nhiều loại thụ thể khác nhau để sinh ra các đáp ứng thuộc

các loại khác nhau. Ví dụ: SM như NE có thể gắn với thụ thể α1 để thực hiện phương

thức cận tiết hoặc α2 để thực hiện phương thức tự tiết.

- Nhiều ligand có thể gắn kết với cùng một loại thụ thể để sinh ra các đáp ứng giống nhau.

Ví dụ ligand gắn vào thụ thể α1, ET (thụ thể endothelin) và AT1 (thụ thể của angiotensin

II) đều hoạt hóa PLC (Phospholipase C) qua protein Gq rồi biến đổi PIP (phosphatidyl

inositol biphosphate thành phosphatidyl inositol triphosphate (PI3) một mặt giải phóng

Ca2+ ở lưới nội bào, mặc khác hoạt hóa PKC (phospho kinase C) phosphoryl hóa kênh

calcium loại L làm mở kênh này.

Ngoài ra còn một hình thức khác trong phân loại về sự tương quan giữa các phân tử tín hiệu và

cơ quan đích được làm rõ qua ví dụ sau. Ở dạ dày, gastrin được phóng thích vào máu hoạt hóa tế

bào ECL (enterochromaphil-like cell) tiết ra histamine, sau đó histamine kích thích bơm proton ở

thành tế bào phóng thích ion H+, như thế sự liên lạc giữa tế bào G với tế bào ECL là endocrine

trong khi ECL với tế bào thành là paracrine.

Phân loại thụ thể

Các thụ thể của lộ trình tín hiệu (signal transducing receptor) được phân thành 3 nhóm cơ bản:

- Thụ thể xuyên màng và có hoạt động sinh enzyme nội bào (intrinsic enzymatic activity).

Nhóm này gồm có tyrosine kinase (thụ thể PDGF, insulin, EGF và FGF), tyrosine

phosphatase (CD45 của tế bào T và đại thực bào), guanylate cylase (natriuretic peptide

receptor) và serine/threonin kinase (thụ thể activin và TGF-β).Những thụ thể tyrosine

kinase nội bào có khả năng tự phosphoryl hóa cũng như là phosphoryl hóa các cơ chất

khác. Ngoài ra cũng có một vài họ thụ thể thiếu hoạt động sinh enzyme nội bào như cặp

(coupled) thụ thể tyrosine kinase nội bào, chúng có vai trò trong sự tương tác protein-

protein.

- Thụ thể có dạng cặp (coupled), trong tế bào, kết nối với GTP và thủy phân protein

(termed G-protein). Thụ thể thuộc nhóm này tương tác với G-protein và tất cả đều có cấu

trúc 7 vòng xoắn xuyên màng. Những thụ thể này còn được gọi là thụ thể xoắn

(serpentine receptor). Bao gồm adrenegic, odorant và các thụ thể hormone (glucagon,

angiotensin, vasopressin và bradykinin).

- Những thụ thể được tìm thấy ở nội bào và ligand sẽ kết nối với thụ thể tại bề mặt nhân, sự

tương tác sẽ dẫn đến quá trình chuyển mã gene. Bởi vì các thụ thể thuộc nhóm này được

tìm thấy ở nội bào và hoạt động chức năng ngay trong nhân nên còn được gọi là thụ thể

nhân (nuclear receptors). Những thụ thể này bao gồm một lượng lớn thành viên thuộc các

họ thụ thể hormone steroid và thyroid. Các thụ thể này có vùng nối kết của ligand, vùng

nối kết DNA và vùng kích hoạt chuyển mã.

Do giới hạn của đề tài, ở đây chỉ trình bày sự điều hòa bởi sự phosphoryl hóa, các tác động xem

xét ở mức phân tử dòng thác tín hiệu (signal cascades) của G-protein, cAMP và một vài chất dẫn

truyền thứ cấp khác sinh ra từ phosphatidylinositol.

7.1 Kinase và phosphatases:

Có nhiều enzyme được điều hòa bởi liên kết cộng hóa trị với gốc phosphate, liên kết ester, liên

kết với gốc hydroxyl của một vài amino acid (serine, threonine hoặc tyrosine).

Protein kinase chuyển gốc phosphate từ phân tử ATP đến gốc hydroxyl của protein. Ngược lại,

protein phosphatase thủy phân liên kết phosphate.

Các enzyme được điều hòa bởi PKA

Sự phosphoryl hóa thay đổi trực tiếp hoạt tính của enzyme bằng cách thay đổi cấu trúc cấu tạo

của nó. Ngoài ra, sự thay đổi hoạt tính cũng xuất phát từ sự nối kết một protein vào vị trí đã

phosphate hóa trước đó. Ví dụ, 14-3-3 protein nối kết vào vùng có serine và threonine đã

phosphate hóa ở chuỗi RXXX[pS/pT]XP, X có thể là một amino acid nào đó. Sự liên kết với 14-

3-3 là cơ chế thường xảy ra ở các protein có vai trò như một yếu tố chuyển mã (transcription

factors) , chúng thường được giữ lại ở trong bào tương và không vào được trong nhân.

Protein kinase và phosphatase có khả năng tự điều hòa thông qua một chuỗi truyền tin phức tạp.

Ví dụ: Một vài protein kinase được kích hoạt bởi hệ thống Ca2+

- calmodulin hay protein kinase

A (PKA) được kích hoạt bởi cAMP.

Như ta đã biết, adenylate cyclase thủy phân ATP tạo thành cAMP và PPi. Sự nối kết hormone

ngoại bào (ví dụ như epinephrine) kích hoạt adenylate cyclase để tạo thành cAMP trong bào

tương. Do vậy, cAMP có thể gọi là chất truyền tin thứ hai hay chất truyền tin thứ phát (second

messenger).

Hình 7.1: Minh họa cơ chế phản ứng cAMP.

Hình 7.2: Minh họa sơ khởi cơ chế hoạt động của cAMP

Phosphodiesterase thủy phân cAMP thành AMP do vậy nó không thể tiếp tục hoạt hóa thủy phân

protein kinase A được nữa. Người ta xác định được rằng cAMP kích thích quá trình tự giáng cấp

của mình (cAMP stimulates its own degradation) để nhanh chóng bất hoạt tín hiệu của chính nó.

Protein kinase A (protein kinase phụ thuộc cAMP) chuyển gốc Pi từ ATP đến gốc hydroxyl của

nhóm serine hoặc threonine, đây là phần đặc thù của trình tự 5-amino acid chuyên biệt. Protein

kinase A tồn tại ở trạng thái tĩnh (resting state) ở cấu trúc như sau:

- 2 tiểu đơn vị điều hòa (R).

- 2 tiểu đơn vị thủy phân (C).

Hình 7.3:Lượt đồ trình bày“OTR illustrating putative potential phosphorylation sites”. The

putative phosphorylation targets are indicated as (1) calmodulin II kinase (CaM II K), (2) protein

kinase C (PKC), (3) cAMP-dependent protein kinase A (PKA), (4) casein kinase Ia(CK-I) and

(5) cGMP-dependent protein kinase G (PKG).

Bình thường, mỗi tiểu đơn vị điều hòa của protein kinase A có chứa trình tự pseudosubstrate (cơ

chất giả) có thể so sánh được được với vùng chất nền (substrate domain) của protein đích của

protein kinase A, nhưng trong cấu trúc của nó alanine thay thế cho serine hay threonine. Vùng

pseudosubtrate của tiểu đơn vị điều hòa thiếu gốc hydroxyl do vậy không phosphate hóa được,

gắn vào vùng hoạt động (active site) của tiểu đơn vị thủy phân và khóa hoạt động của nó.

Khi mỗi tiểu đơn vị điều hòa liên kết với 2cAMP, sự thay đổi cấu trúc của vùng này sẽ dẫn đến

việc giải phóng tiểu đơn vị thủy phân. Hai tiểu đơn vị này sau đó có thể phosphoryl hóa thủy

phân hóa serine hoặc threonine của protein đích.

R2C2 + 4cAMP R2CAMP4 + 2C

Hình 7.4: Sơ lược sự hoạt hóa PKA

Lưu ý rằng, PKIs (protein kinase inhibitors) điều hòa hoạt động của tiểu đơn vị C.

Hình 7.5: Bisindolylmaleimide – một protein kinase inhibitor. Cấu trúc tương tự như

staurosporine, có tính chọn lọc cao đối với protein kinase C (PKC) và là chất ức chế cạnh tranh.

Hình 7.6: Minh họa cơ chế phân giải glycogen làm tăng glucose máu.

7.2 Dòng thác tín hiệu của G-protein

Hầu hết các phân tử tín hiệu (signal molecules) nối kết với thụ thể trên màng tế bào, chỉ có các

phân tử tín hiệu thuộc nhóm steroid hoặc một số nhóm kém phân cực khác mới xuyên màng để

tương tác với các thụ thể nội bào (intracellular receptors).

Có một họ (family) thụ thể bề mặt lớn có motif chung 7 vòng xoắn xuyên màng (7

transmembrane a-helices), cùng xem 2 ví dụ dưới đây:

- Rhodopsin là thụ thể đầu tiên được tìm ra bởi kĩ thuật tia X tinh thể học (X-ray

crystallography).

- Thụ thể β-adrenergic được kích hoạt bởi epinephrine và norepinephrine. Sự kết tinh

(crystallization) của thụ thể này được củng cố bởi một nối kết cơ học (insertion) của

lysozyme (enzyme tan trong nước) vào quai bào tương (cytosolic loop) xen giữa các xoắn

xuyên màng.

Hình 7.7: Minh họa sự nối kết của lysozyme cùng β-adrenergic.

Tín hiệu (signal) truyền từ thụ thể trên (7-helix receptor) đến một protein nội bào được gọi là

G-protein, do vậy nhóm thụ thể này còn được gọi là G-Protein-Coupled Receptors (GPCR).

Có khoảng 800 GPCR được tìm thấy ở người.

GPCR được nhị hợp (dimerize) hoặc oligomer hóa để tạo thành một phức hợp nội màng.

Ligand bám vào thụ thể sẽ truyền tin đi vào cấu trúc này và sinh ra các tác động tương ứng

đặc trưng cho từng loại thụ thể.

Có nhiều loại GPCR-interacting proteins (GIPs) điều hòa chức năng của thụ thể. Những tác

động này bao gồm:

- Thay đổi ái lực của ligand.

- Điều hòa sự nhị hợp hay oligomer hóa của thụ thể.

- Định vị vị trí của thụ thể, bao gồm cả việc vận chuyển hay loại bỏ chúng từ màng tế bào.

- Kiểm soát sự tương giao của các protein thông tin khác.

G-prtein là một cấu trúc gồm có 3 tiểu đơn vị, được gọi là α, β và γ.

G-protein kích hoạt quá trình hình thành cAMP trong tế bào được gọi là stimulatory G-protein

hay Gs với tiểu đơn vị α, gọi là Gsα. Khi Gs được hoạt hóa, như khi thụ thể đáp ứng với

epinephrine và glucagon. Thụ thể β-adrenergic được gọi là GPCR hướng epinephrine. Tiểu đơn

vị α của G-protein bám vào GTP và thủy phân nó thành GDP và Pi.

Tiểu đơn vị α và γ có liên kết cộng hóa trị với neo lipid (lipid anchors), do vậy bám dính và cố

định G-protein vào mặt trong màng tế bào. Adenylate cyclase (AC) là một protein xuyên màng,

vùng hướng về phía bào tương được gọi là vùng thủy phân (catalytic site).

Hình 7.8: Minh họa rút gọn quá trình hoạt động của G-protein.

Trình tự các sự kiện xảy ra khi hormone kích hoạt tín hiệu cAMP:

- Lúc đầu, tiểu đơn vị α của G-protein nối kết với GDP và ba tiểu đơn vị α,β và γ thống

nhất với nhau và 2 tiểu đơn vị β và γ ức chế Gα.

- Khi hormone bám dính vào thụ thể GPCR, sẽ có một sự biến đổi lập thể xảy ra và thông

tin sẽ truyền tới G-protein. Vùng kết nối nucleotide (nucleotide-binding site) ở tiểu đơn

vị α trở nên nhạy cảm hơn với bào tương và vì nồng độ GTP của bào tương tao hơn hẳn

GDP nên nó giải phóng GDP để nối kết với GTP. Quá trình này gọi là GDP-GTP

exchange.

- Sự thay đổi diễn ra ở trên dẫn đến sự biến đổi cấu trúc của Gα và nó rời phức hợp αβγ để

liên kết với Adenylate cyclase.

- Adenylate cyclase được hoạt hóa bởi Gα-GTP sau đó thực hiện phản ứng tổng hợp thủy

phân để tạo ra cAMP.

- Protein kinase A (cAMP-Dependent protein kinase) thủy phân và chuyển nhóm

phosphate của ATP đến nhóm serine hoặc nhóm threonine của một vài protein nội bào và

kích hoạt hoạt động của chúng.

Sự ngắt tín hiệu (turn off of the signal):

- Gα thủy phân GTP thành GDP và Pi (GTPase). Sự tồn tại của GDP trên Gα khiến nó tái

nối kết với tiểu phân βγ và bất hoạt do vậy adenylate cyclase không còn hoạt động nữa.

- Phosphodiesterase thủy phân cAMP thành AMP.

- Thụ thể tê liệt (receptor desensitization) biến đổi cấu trúc khác với cấu hình của hormone.

Trong một số trường hợp, receptor hoạt hóa được phosphoryl hóa thông qua G-protein

receptor kinase. Thụ thể được phosphoryl hóa sẽ nối kết với β-arrestin. Sau đó, β-arrestn

điều hành quá trình loại bỏ receptor từ màng tế bào vào bào tương bởi hiện tượng nhập

bào nhờ tác động gián tiếp của clathrin (clathrin-mediated). β-arrestin cũng nối kết với

phosphodiesterase nội bào, mang enzyme này đến gần nơi sản xuất cAMP, góp phần làm

ngưng dòng phân tử tín hiệu.

- Protein phosphatase thủy phân loại nhóm phosphate của nó. (trước đó nó được phosphate

hóa bởi protein kinase A).

Sự khuếch đại tín hiệu (signal amplification) là một công đoạn rất quan trọng trong dòng thác tín

hiệu. Cụ thể:

- Một phân tử hormone có thể dẫn đến quá trình tạo thành nhiều phân tử cAMP.

- Mỗi tiểu đơn vị xúc tác của protein kinase A xúc tác phosphoryl hóa nhiều protein trong

suốt quá trình tồn tại của cAMP.

Các thể đồng phân khác của Gα (different isoforms of Gα) có những cách truyền tin khác nhau.

Ví dụ như stimulatory Gsα gắn với GTP thì hoạt hóa adenylate cyclase nhưng khi inhibitory Giα

gắn với GTP thì nó lại bất hoạt enzyme này. Do vậy có thể thấy Giα có vai trò quan trọng trong

việc chuyển ngược lại GDP thành GTP và sau đó lại hoạt hóa Gsα.

Hình 7.9: Mô tả sự ADP-ribosyl hóa.

Phức hợp Gβγ được giải phóng khi Gαnối kết với GTP dẫn đến việc hoạt hóa hay ức chế một vài

loại protein khác. Ví dụ, Gβγ ức chế một vài thể đồng phân của adenylate cyclase (isoform) góp

phần ngắt dòng tín hiệu vào tế bào, ngưng biểu hiện enzyme.

Độc tố tả (cholera toxin) xúc tác đồng hóa trị sự biến thể của Gsα. ADP-ribose được chuyển từ

NAD+ thành arginine tại vùng hoạt động của GTPase của Gsα. Sự ADP-ribosyl hóa ngăn sự thủy

phân của GTP (prevents GTP hydrolysis) bởi Gsα. Do vậy stimulatory G-protein được hoạt hóa

lâu dài.

Pertussis toxin (whooping cough disease) xúc tác sự ADP-ribosyl tại cysteine của Giα làm nó

không thể chuyển GDP thành GTP. Con đường inhibitory bị khóa (The inhibitory pathway is

blocked).

Sự ADP-ribosyl là cơ chế chung để điều hòa hoạt động của protein, từ sinh vật nhân sơ

(prokaryotes) đến sinh vật nhân thực (eukaryotes), kể cả động vật có vú.