Chương 1.

Cơ chế biểu hiện gen trong thực vật

1. Khái niệm cơ bản

- Sự đa dạng vĩ đại và chức năng tuyệt vời của thực vật

- Quá trình tích lũy đặc thù vị trí của những protein đặc thù phản ảnh quá

trình điều hòa.

- Quá trình tổng hợp, vận chuyển và tan dã các phân tử protein và RNA

được điều hòa rất nghiêm ngặt.

- Điều hòa theo cả 2 cơ chế là phản ứng tăng cường và ức chế

- Các yếu tố promoter, enhancer, silencer, các yếu tố phiên mã và các yếu

tố gây biến đổi nhiễm sắc đóng vai trò làm tăng cường hay ức chế phiên

mã gen.

- Cơ chế điều hòa gen có liên quan đến phản ứng với auxin

- Cắt nối thay thế nhau các tiền phiên mã có liên quan đến điều hòa biểu

hiện gen.

- Điều hòa thông qua quá trình dịch mã tạo protein và vận chuyển protein.

- Thiết kế promoter và các yếu tố phiên mã sử dụng trong công nghệ sinh

học nhằm điều hòa hoạt động của gen.

- Kiểu hình là kết quả tương tác giữa kiểu gen với các yếu tố môi trường

bên trong và ngoài cơ thể, trong đó kiểu gen đóng vai trò quyết định, môi

trường đóng vai trò quan trọng.

- Sự thành công của cây trồng được đánh giá thông qua một số thông số:

1

+ Thông qua khả năng sinh sản, sinh ra được nhiều con cháu, hệ số nhân

cao.

+ Các con cháu lại có khả năng sống sót và tồn tại rồi phát triển tốt, tỷ lệ

sống sót cao.

+ Rồi các con cháu này lại tiếp tục tồn tại và sống sót cao và cứ như vậy.

- Khả năng thành công của thực vật đòi hỏi khả năng thích ứng của sinh

vật đó với các điều kiện môi trường khác nhau và luôn thay đổi từ khi hạt

nẩy mầm đến khi cây có khả năng sinh sản tạo ra hạt mới và phát tán đi.

- Hầu hết các chức năng của thưc vật đều được thực hiện thông qua hoạt

động của các protein.

- Biểu hiện của gen được phản ảnh thông qua quá trình sinh ra những

protein đặc thù và sự điều khiển chúng thông qua các khía cạnh là chúng

được sinh ra ở đâu, khi nào sinh ra và sinh ra được bao nhiêu.

2. Sự đa dạng vĩ đại và chức năng tuyệt vời của thực vật

- Cây Sequoiadendron giganticus trưởng thành có kích thước 2.5 x 1011 lớn

hơn hạt của nó.

- Một chồi măng có thể sinh trưởng tới 1 m/ 1 ngày.

- Khả năng thoát hơi nước, một cây ngô trong chu kỳ sống có thể thoát hơi

nước hết 200 lít.

- Sinh sản bao gồm quá trình ra hoa, kết hạt, hình thành quả và sự chín của

hạt.

- Đặc tính phẩn quang của cây bao gồm tính hướng và phản ứng quang chu

kỳ.

2

- Thực vật có khả năng chống lại sâu bệnh và sự xâm thực bởi các thực vật

khác.

- Thực vật có khả năng chống chịu lại các điều kiện vô sinh bất thuận như

hạn, nhiệt độ quá thái và các điều kiện về đất.

- Hiện tượng cây Crocus nẩy chồi chui lên từ lớp tuyết sâu, cây nắp ấm

thuộc họ ly tiết ra các chất bay hơi nhằm hấp dẫn các loại ruồi nhặng đến

để ăn thịt, tiêu hóa côn trùng để lấy phospho và đạm.

3. Cơ chế điều khiển biểu hiện gen

Dòng thông tin di truyền từ gen (DNA) phiên mã tạo thành RNA dịch mã

thành Protein, các protein này sau đó biến đổi sau dịch mã để đi vào ty

thể, nạp thể, các cơ quan tử khác hay xuất ra ngoài tế bào. Tất cả các quá

trình đó đều được điều khiển tăng cường, ức chế hay bị phân rã ở các

mức độ bao nhiêu, khi nào và ở đâu.

3.1. Nhiễm sắc chất và quá trình điều hòa phiên mã

- DNA nằm trong nhiễm sắc thể, cấu trúc với protein histone tạo thành các

nucleosome (146 bp quấn quanh 8 phân tử protein histone) và solenoid.

Trình tự DNA nào nằm trong các cấu trúc này thường khó hoạt động và

không phiên mã.

- Thí nghiệm chứng minh rằng, những vùng genome nào sẵn sàng phiên

mã thường có đặc tính mẫn cảm với các enzyme deoxyribonuclease, các

enzyme này có tác dụng làm lỏng lẻo cấu trúc nhiễm sắc.

- Nếu acetyl protein histone tại vùng đuôi amino acid, có ảnh hưởng đến

quá trính bám gắn của protein với DNA do đó DNA nhân được cởi nút đã

làm tăng cường quá trình phiên mã các vùng DNA lân cận.

3

- Phiên mã gen có liên quan mật thiết đến cấu trúc của gen, đặc biệt là ở

vùng promoter, hộp CAAT và TATA (-25 - -30), một số gen có thể trình

tự 5UTR và 3UTR hoặc intron thậm trí ở cả những vùng mã hóa cũng có

thể tham gia vào thành phần promoter.

Hình. Sơ đồ gen eukaryote điển hình

- Hoạt động của enzyme RNA polymerase II chịu tác động tham gia bởi

nhiều yếu tố phiên mã TF đặc thù khác. Sơ đồ và các bước tác động theo

thứ tự DNA + TFIID, TFIIB, TFIIA, RNA Pol II, TRIIE và TFIIH.

Chương 16

KIỂM TRA DI TRUYỀN PHẢN ỨNG MIỄN DỊCH

- Khi một chất ngoại lai mang đặc tính kháng nguyên (antigen, thí dụ như protein vỏ

của virus) được đưa vào máu của động vật có vú chúng sẽ kích thích tạo cơ chế bảo

vệ hay phản ứng miễn dịch, kết quả sẽ tổng hợp nên một nhóm các protein cực quan

trọng được gọi là các kháng thể (antibody).

- Mỗi kháng thể có một kháng nguyên tương ứng đặc hiệu. Các kháng thể này sẽ bọc

đặc thù lấy kháng nguyên tương ứng sau đó tạo điều kiện thuận lợi để đưa chúng qua

máu ra khỏi cơ thể.

- Các nhà khoa học đã khám phá ra có một số trình tự DNA mã hóa một khối lượng

khổng lồ các kháng thể trong hệ thống miễn dịch ở động vật có vú. Các trình tự

DNA này được lắp ghép trong quá trình phân hóa ở trong các tế bào sản sinh kháng

thể bằng cách xẩy ra các sự kiện sắp xếp lại genome (genome rearrangements).

1. Thành phần của hệ thống miễn dịch

- Tế bào bạch cầu của máu động vật đóng vai trò trung tâm trong phản ứng miễn dịch

của động vật có xương sống.

4

- Có ba loại tế bào bạch cầu khác nhau đảm nhiệm phản ứng miễn dịch đó là:

+ Tế bào lympho B (lymphocyte B) gọi tắt là tế bào B vì nó được sinh ra ở trong các tế

bào tủy sống của động vật có xương sống.

+ Tế bào lympho T (lymphocyte T) được gọi tắt là tế bào T vì nó được sinh ra từ tuyến

giáp trạng (thymus gland).

+ Tế bào đại thực bào (macrophage).

- Hình 16.1 mô tả sơ đồ các thành

phần của hệ thống miễn dịch ở

động vật có xương sống.

- Kháng thể được tổng hợp bởi tế

bào B, khi được tiết ra ngoài tế

bào hoặc nằm trên bề mặt màng

tế bào B tùy theo một số điều

kiện nhất định.

- Trong quá trình phản ứng miễn

dịch thể dịch (humoral immune

response) thì các kháng thể được

sinh ra từ tế bào B sẽ ra ngoài tế

bào và bọc đặc thù lấy kháng

nguyên nằm tự do ở trong máu

và kết dính (agglutination) chúng

lại.

- Phức hợp giữa kháng thể với

kháng nguyên này sau đó được

đại thực bào nuốt vào bên trong

rồi bị phân rã (hình 16.1 trái)

- Tế bào T làm môi trường trung

gian cho quá trình phản ứng

5

miễn dịch của tế bào. Tế bào T tổng hợp nên chất tiếp nhận (protein thụ cảm) với

kháng nguyên, chất tiếp nhận nhận biết kháng nguyên nằm trên bề mặt màng tế bào

T có tác dụng kích hoạt quá trình phân rã những tế bào nào có chứa các kháng

nguyên, như các tế bào bị nhiễm virut chẳng hạn như hình 16.1 (phải).

- Các tế bào T khác nhau có biểu hiện chức năng này hơi khác nhau.

- Tuy nhiên, nhìn chung quá trình tấn công của tế bào T vào những tế bào mang kháng

nguyên yêu cầu có sự tham gia của cả chất (protein) tiếp nhận tế bào T đặc thù

(specific T cell receptor) với một hoặc một số chất (proteins) tiếp nhận kháng nguyên

tương hợp (histocompatibility antigen receptor).

- Cơ chế của mối tương tác giữa chất tiếp nhận tế bào T đặc thù với chất tiếp nhận

kháng nguyên tương hợp sẽ được mô tả ở các phần dưới đây.

2. Nguồn sinh kháng thể khổng lồ

- Có sự đa dạng vô tận các kháng thể có thể được tổng hợp nếu khi gặp các kháng

nguyên trong cơ thể động vật mà trước đó chúng có thể chưa từng gặp.

- Làm thế nào một cơ thể động vật có thể tổng hợp được kháng thể nhất định để bọc

rất đặc thù đối với mỗi một kháng nguyên đặc thù mà trước kia nó chưa bao giờ

biết hoặc đối mặt với kháng nguyên đó.

- Làm thế nào một cơ thể có đầy đủ các thông tin di truyền để mã hóa cho các trình

tự amino acid của một đa dạng vô tận của các kháng thể.

- Chúng ta không thể biết được có bao nhiêu kháng thể mà đời một người hay một

con chuột có thể tạo ra, nhưng chúng ta biết chắc rằng con số này sẽ rất lớn, được

tính bằng hàng triệu.

- Chắc chắn rằng không thể tất cả các gen trong một cơ thể con người có bộ genome

chứa 3,2 tỷ bp đều sinh ra kháng thể.

a/ Các giả giả thuyết về khả năng tạo ra tính đa dạng kháng thể

Hiện có 3 giả thuyết đưa ra giải thích hiện tượng này:

6

+ Thuyết dòng mầm (germ line) cho rằng có một gen dòng mầm tách biệt đối với mỗi

một kháng thể. Thuyết này đúng về khía cạnh tổng hợp protein nhưng lại phi lý vì

không có đủ DNA để đảm nhận chức năng này.

+ Thuyết đột biến Soma cho rằng chỉ có một hoặc một vài gen dòng mầm đặc thù

cho mỗi một lớp kháng thể chủ yếu và tính đa dạng được sinh ra bởi tần số cao của

đột biến soma. Là đột biến xảy ra trong các tế bào soma sản sinh ra kháng thể hoặc

xẩy ra ở trong các tế bào mầm sinh ra tế bào tạo kháng thể. Tuy nhiên, hiện chưa

có một phát hiện nào cho thấy có một tần suất đột biến cao chỉ xẩy ra ở trong

những gen nhất định và chỉ ở trong những loại tế bào nhất định. Tuy nhiên, bằng

cơ chế nào quá trình đó xẩy ra và làm thế nào quá trình đó được điều khiển thì vẫn

không rõ.

+ Thuyết gen nhỏ (minigene) cho rằng sự đa dạng của kháng thể là do sự thay đổi

của nhiều đoạn nhỏ của một vài gen tạo thành một vô số các tổ hợp có thể. Sự sắp

xếp lại có thể xẩy ra bằng các quá trình tái tổ hợp trong tế bào soma. Quá trình này

đòi hỏi cơ chế hoàn toàn khác biệt trong việc sắp xếp lại các đoạn DNA trong

genome.

- Hiện nay chúng ta biết rõ rằng thuyết gene nhỏ đã giải thích đúng về sự đa dạng

của các kháng thể quan sát thấy. Tuy nhiên, đột biến soma cũng đóng góp làm tăng

thêm sự đa dạng của các kháng thể. Hơn nữa, chúng ta biết rõ rằng có một đoạn ở

vùng bảo thủ của mỗi một chuỗi kháng thể được đặc thù bởi một gen hay một đoạn

gen, đoạn gen này có trong genome với chỉ một số ít copy. Bởi thế tất cả ba thuyết

nêu trên đều đúng ở một khía cạnh nào đó.

b/ Cấu trúc của kháng thể

- Kháng thể thuộc vào một lớp các protein là globulin miễn dịch (immunoglobulin),

mỗi kháng thể chứa 4 chuỗi polypeptide, hai chuỗi nặng giống nhau và hai chuỗi nhẹ

7

giống nhau, chúng gắn với nhau bằng liên kết lưu huỳnh (hình 16.2 thiếu).

- Chuỗi nhẹ dài 220 amino acid, chuỗi nặng dài khoảng 440 – 450 amino acid. Mỗi

chuỗi nặng và nhẹ đều có một vùng biến động nằm ở đầu tận cùng đầu chứa amin của

trình tự amino acid, trong vùng này thường xuyên thay đổi để kháng thể tạo ra có tính

đặc thù cao cho mỗi kháng nguyên khác nhau. Vùng bảo thủ nằm ở đầu carboxyl có

trình tự amino acid giống nhau trong tất cả các kháng thể thuộc cùng một lớp Ig nhất

định. Vùng này không có liên quan gì đến tính bọc đặc thù đối với kháng nguyên.

Vùng biến động của tất cả các chuỗi kháng thể đều dài khoảng 110 amino acid.

- Vùng protein mang chức năng đặc thù được gọi là trung tâm (domain), mỗi kháng

thể có hai vị trí trung tâm bọc kháng nguyên đặc thù. Mỗi trung tâm bọc kháng

nguyên đặc thù được hình thành ở vùng biến động, một ở chuỗi nặng và một ở chuỗi

nhẹ (hình 16.3).

- Vùng bảo thủ, của hai chuỗi nặng tương tác với nhau để hình thành nên một vị trí

trung tâm bọc kháng nguyên thứ ba gọi là effector (effector function domain), vị trí

này chịu trách nhiệm giúp kháng thể tương tác một cách chính xác với các thành phần

khác của hệ thống miễn dịch.

8

- Có 5 lớp kháng thể tồn tại là: IgM, IgD, IgG, IgE, và IgA, chúng được phân chia dựa

trên cơ sở cấu trúc vùng bảo thủ của chuỗi nặng hay cấu trúc của vùng chức năng

effector. Thí dụ kháng thể IgD luôn luôn được bám lên bề mặt màng các tế bào sinh ra

chúng, còn kháng thể IgG thì lại luôn luôn được tiết ra ngoài, đi vào máu đi vòng

quanh cơ thể.

- Chuỗi nhẹ kháng thể có hai loại là kappa và lamda, chúng được xác định dựa trên

cơ sở cấu trúc vùng bảo thủ của chuỗi nhẹ.

- Một số kháng thể có thể có tính đặc thù bọc kháng nguyên giống nhau, điều này là

do các vùng biến động của 4 chuỗi tạo nên, nhưng lại có chức năng miễn dịch khác

nhau, vì chức năng này được xác định là do vùng bảo thủ của chuỗi nặng quyết

định.

- Bởi thế, khi chúng ta kiểm tra cấu trúc của các kháng thể chúng ta thấy tính đa

dạng của chúng thường nằm ở hầu hết vùng biến động của phân tử kháng thể. Nếu

các polypeptide này được tổng hợp từ các trình tự cặp Nu trên đường thẳng của các

gen, nếu một gen sinh ra một polypeptide, thì genome phải chứa một dãy khổng lồ

các gen có trình tự biến động cao tại đầu này còn đầu kia phải có trình tự giống

nhau cần thiết.

- Nhờ kỹ thuật tái tổ hợp DNA chúng ta có thể tách, xác định được trình tự của nhiều

đoạn DNA trên nhiễm sắc thể của chuột và người mã hóa tạo ra các chuỗi kháng

thể. Kết quả đã giải thích được cơ chế tạo ra sự đa dạng khổng lồ của các kháng

thể trong cơ thể chúng ta.

3. Sự đa dạng kháng thể là do sự sắp xếp lại Genome trong quá trình phân hóa tế bào B

a. Khái niệm.

- Rất đơn giản, thông tin di truyền mã hóa tạo các chuỗi kháng thể được tàng trữ

thành những mẩu và mảnh, các mẩu và mảnh này được nối lại với nhau thành

những trình tự thích hợp bằng cách sắp xếp lại genome xảy ra trong quá trình phát

triển của các tế bào sinh ra kháng thể gọi là tế bào B của cơ thể.

9

- Mỗi tế bào B chỉ sinh ra được một dạng đơn của kháng thể do vậy tất cả các kháng

thể được sinh ra từ một tế bào B nhất định sẽ có cùng một tính đặc thù bọc kháng

nguyên .

- Mỗi chuỗi kháng thể được tổng hợp trên cơ sở sử dụng thông tin di truyền được

tàng trữ trong một số những gen khác nhau của những đoạn gen. Một số nhà di

truyền gọi những trình tự DNA này là những gen, số khác lại thích gọi chúng là các

đoạn gen, gọi như vậy xem có vẻ đúng hơn.

b. Chuỗi nhẹ kappa (k)

- Việc tổng hợp chuỗi nhẹ K được kiểm tra bởi 3 đoạn gen khác nhau:

1/ Đoạn gen Vk mã hóa tạo ra 95 amino acid ở đầu amin của vùng biến động.

2/ Đoạn gen Jk (J có nghĩa là đoạn kết gắn) mã hóa cho phần còn lại của vùng biến

động dài 13 amino acid, nằm cạnh vùng bảo thủ.

3/ Đoạn gen Ck mã hóa tạo ra vùng bảo thủ ở đầu tận cùng carboxyl.

- Đoạn gen thứ 4, đoạn Lk mã hóa tạo ra đoạn chứa đầu kỵ nước đầu amin dài 17- 20

amino acid, đoạn này cần thiết giúp cho quá trình vận chuyển chuỗi kháng thể đi qua

màng tế bào. Trình tự này sẽ bị cắt đi sau khi kháng thể đi qua được màng tế bào. Vì

thế nó không phải là thành phần cuối cùng của kháng thể.

- Quá trình sắp xếp các đoạn gen chuỗi K xảy ra ở dòng các tế bào mầm, tuy nhiên

trong thực tế có thể xảy ra ở trong tất cả các tế bào không sản sinh ra kháng thể (hình

16.4).

- Ở chuột và người thì các đoạn gen tạo chuỗi K thường nằm trên cùng một nhiễm sắc

thể, ở người là nhiễm sắc thể số 2.

- Các đoạn gen sinh chuỗi Lamda cũng tương tự nằm trên cùng một nhiễm sắc thể và ở

người nằm trên nhiễm sắc thể số 22. Còn các đoạn gen quy định chuỗi nặng ở người

nằm trên nhiễm sắc thể 14.

- Có một số lượng khá lớn, khoảng 300 các đoạn gen Vk , với mỗi chúng lại có một số

tương đương các đoạn gen Lk (hình 16.4 a).

10

- Trong khi đó, chỉ có một đoạn gen Ck và 5 đoạn gen Jk trong đó có một đoạn gen ở

chuột là không có chức năng. Các đoạn gen Jk được định vị nằm giữa các đoạn gen

Vk và Ck.

- Trong các dòng tế bào mầm, 5 đoạn gen Jk được tách dời khỏi đoạn Vk một trình tự

không phiên mã dài (chưa rõ dài bao nhiêu) và cách đoạn Ck một đoạn không phiên

mã dài 2000 cặp Nu.

- Trong quá trình phát triển của tế bào B, gen mã hóa chuỗi nhẹ K đặc thù, sau này

sẽ được biểu hiện trong tế bào đó, sẽ lắp ghép với một đoạn Lk-Vk, một đoạn Jk và

một đoạn Ck đơn, thông qua quá trình tái tổ hợp soma (hình 16.4 a và b).

- Quá trình tái tổ hợp xảy ra làm kết gắn bất kỳ một trong khoảng 300 đoạn Lk-Vk với

bất kỳ một trong số 5 đoạn Jk, kèm theo việc cắt bỏ tất cả các DNA xen vào hình

16.4b.

- Kết quả tạo ra một đoạn gen Vk, Jk trộn lẫn mã hóa cho toàn bộ vùng biến động của

chuỗi K.

- Các trình tự không mã hóa bao gồm các đoạn nằm giữa gen Jk với gen CK và các

đoạn giữa Jk kề cận Ck. Có thể có một đoạn không dịch mã nằm ở giữa đoạn Vk-

Jk trộn lẫn với đoạn Ck , đoạn này vẫn được duy trì trong tế bào B khi nó đã được

phân hóa (hình16.4 b).

- Trình tự DNA (Lk-VkJk-noncoding-Ck) sẽ được phiên mã (hình 16.4c).

- Còn các trình tự không phiên mã khác sau khó sẽ bị cắt bỏ đi trong quá trình thành

thục RNA (hình 16.4 c và d), giống như các trình tự không mã hóa hoặc intron

khác của bất kỳ gen nào trong sinh vật nhân chuẩn.

c/ Chuỗi nhẹ lamda

- Các gen quy định chuỗi nhẹ lamda cũng được lắp ghép từ những đoạn gen riêng biệt

và xảy ra trong quá trình phát triển của tế bào B.

- Sự khác nhau chủ yếu là mỗi đoạn gen quy định chuỗi Jλ luôn đi cùng với đoạn gen

Cλ của riêng mình, do vậy quá trình sắp xếp lại genome đòi hỏi có quá trình tổng hợp

và kết nối giữa các đoạn Lλ- Vλ với các đoạn Jλ- Cλ.

11

- Ở chuột chỉ có 4 đoạn gen Jλ- Cλ, trong khi đó ở người lại có tới 6 đoạn gen Jλ - C λ,

vì thế chỉ có 5% kháng thể của chuột là thuộc dạng kháng thể λ, trong khi đó có tới

40% kháng thể của người là có chứa chuỗi nhẹ λ.`

d. Chuỗi nặng

- Thông tin di truyền mã hóa các chuỗi nặng được tổ chức lại thành các đoạn gen LH-

– VH , JH và CH , có cấu trúc tương tự các gen mã hóa chuỗi nhẹ K nhưng chỉ khác

là có thêm một đoạn gen gọi là D để tạo ra sự đa dạng, đoạn gen này mã hóa tạo ra

từ 2-13 amino acid trong vùng biến động.

- Vùng biến động của chuỗi nặng vì thế được mã hóa bởi 3 đoạn gen tách rời nhau,

sau đó chúng phải nối với nhau trong quá trình phát triển của tế bào B. Hơn nữa

có từ 1- 4 đoạn gen CH đối với mỗi một lớp Ig.

- Ở chuột có tổng số 8 đoạn gen tạo CH , tất cả đều có chức năng và được sắp xếp trên

nhiễm sắc thể theo thứ tự CHu, CHδ, CHγ3, CHγ1, CHγ2b, CHγ2a, và CHα (hình 16.5a).

Đoạn gen CHu, CHδ, CHe và CHα mã hóa các vùng bảo thủ các chuỗi nặng của lần lượt

các kháng thể IgM, IgD, IgE và IgA. Còn 4 đoạn gen CHγ3, CHγ1, CHγ2b và CHγ2a mã

hóa cho các vùng ổn định chuỗi nặng của các kháng thể IgG.

- Ở người có 9 - 10 đoạn gen CH có chức năng đó là: CHu, CHδ, CHγ1, CHγ2, CHγ3, CHγ4,

CHe1 và có thể cả CHe2, CHα1 và CHα2.

- Cụm gen CH của người cũng chứa 2 gen không có chức năng thường được gọi là

Pseudogenes, chúng có cấu trúc rất giống nhau. Pseudogene là đoạn lặp lại một

phần của các gen cấu trúc, kết hợp với những thay đổi đủ lớn để trở nên không có

chức năng và thường là không được phiên mã. Pseudogene là hiện tượng thường

thấy ở sinh vật nhân chuẩn.

- Ở dòng tế bào mầm của chuột có khoảng 300 đoạn gen LH-VH, khoảng từ 10-50

đoạn gen D, 4 đoạn gen JH và 8 đoạn gen CH , chúng được sắp xếp trên NST theo

thứ tự định trước (hình 16.5a).

12

- Trong quá trình phát triển của tế bào B, từ một tế bào gốc (tế bào soma) phân bào

nguyên nhiễm, từ tế bào này xuất hiện các dạng khác của tế bào gốc hoặc xuất hiện

bằng cách phân chia tế bào và phân hóa.

- Tái tổ hợp soma đã gắn mỗi đoạn gen LH-VH với một đoạn gen D và một đoạn gen

JH, cắt bỏ 2 trình tự xen nằm giữa của DNA để hình thành nên một trình tự DNA

liên tục (VHDJH), trình tự này mã hóa vùng biến động của chuỗi nặng hoàn chỉnh

(hình 16.5 a và b).

e, Quá trình chuyển lớp kháng thể

- Tại thời điểm tổng hợp kháng thể, trong tế bào B đang phát triển bắt đầu thì tất cả

các đoạn gen CH vẫn còn và được tách ra từ đoạn gen LH-VHDJH mới được hình

thành bởi một trình tự không mã ngắn hình 16.5 b.

- Lúc này tất cả các kháng thể được tổng hợp đều cùng có một chuỗi nặng IgM là

sản phẩm của gen CHμ.

- Nếu có một kháng nguyên bị nhận biết và bị bọc với một kháng thể nằm trên bề

mặt của tế bào B đang phát triển, thì tế bào đó sẽ được kích thích để phân hóa

thành một tế bào B trưởng thành.

- Trong quá trình phân hóa một số tế bào B sẽ phân lớp từ tế bào sinh kháng thể lớp

IgM sang tế bào sinh ra các kháng thể khác lớp.

- Hiện tượng chuyển lớp này thường liên quan đến quá trình tiếp tục sắp xếp lại

genome, trong quá trình đó các đoạn gen CH nằm gần nhất với các đoạn gen LH-

VHDJH được gắn từ trước sẽ bị cắt bỏ đi (hình 16.5 c - e).

- Lớp kháng thể nào được tạo ra sau khi chuyển lớp, sẽ được xác định bởi các đoạn

gen CH nào được mang vào vùng gần nhất với đoạn gen LH-VHDJH, như đã trình

bày ở hình 16.5c - e.

13

14

15

4. Đa dạng kháng thể do quá trình cắt nối các phiên mã khác nhau tạo nên

- Một kiểu khác của quá trình phân lớp kháng thể xảy ra trong quá trình phân hóa tế

bào B là cách cắt nối để thành thục RNA. Tế bào B chín nhất định có khả năng tạo

ra cả hai kháng thể IgM và IgD, hai kháng thể này chỉ khác nhau ở vùng chức năng

effector (nhận biết). cả hai đều có vùng bọc kháng nguyên giống nhau và được đặc

thù bởi sự kết gắn giữa đoạn gen trội VkJk hay VλJλ với VHDJH .

- Ở những tế bào này trình tự tiền phiên mã được tổng hợp sẽ kéo dài qua cả hai

đoạn gen CHμ và CHδ. Trong quá trình thành thục, trình tự phiên mã VHDJH có thể

bị cắt bỏ đi, hoặc trình tự CHμ và CHδ, cả hai đều được tổng hợp trong cùng một tế

bào.

- Một sự đa dạng nữa xảy ra trong quá trình tổng hợp kháng thể là việc tạo ra một

trình tự có chức năng bài tiết và bám vào màng tế bào của một kháng thể nhất định.

Kháng thể đầu tiên xuất hiện trong tế bào B đang phát triển là các phần tử kháng

thể IgM bọc lên màng tế bào. Kết quả làm tế bào này chuyển thành có khả năng tạo

ra dạng bài tiết cho kháng thể IgM. Hai dạng kháng thể IgM trên chỉ khác nhau ở

phần đầu tận cùng C của chuỗi nặng. Chuỗi nặng của dạng bọc lên màng dài hơn

dạng bài tiết dài 21 amino acid. Chuỗi nặng của dạng bọc màng dài 41 amino acid

có tính kỵ nước nằm ở tại đầu tận cùng C, nơi này có thể là một trình tự chịu trách

nhiệm gắn bám lên bề mặt màng tế bào. Trình tự kỵ nước này nếu được thay thế

bằng một trình tự kỵ nước khác dài 20 amino acid sẽ tạo thành dạng bài tiết.

- Trình tự mã hóa các exon của các đoạn gen CH bị ngắt quãng bởi các trình tự không

mã hóa intron, giống như đối với nhiều gen của sinh vật nhân chuẩn, các đoạn gen

CH chứa từ 4- 6 exon và 3 - 5 intron hình 16.7. Trong các kháng thể bám trên

màng, vùng bảo thủ chuỗi nặng được sinh ra bằng cách cắt nối tất cả 6 exon với

nhau (hình16.7a và b). 2 exon cuối cùng mã hóa tạo ra phần đuôi kỵ nước của các

chuỗi nặng bám màng. Trong quá trình tổng hợp dạng bám màng, exon CH thứ 5 bị

cắt đi tại vị trí codon 20 tính từ đầu cuối của exon thứ 4 (hình 16.7 b) vì thế đã làm

thay đổi trình tự amino acid. Trong kháng thể bài tiết, có chứa vùng bảo thủ của

chuỗi nặng là sản phẩm của 4 exon đầu (hình 16.7c).

16

- Việc sử dụng các đường hướng khác nhau trong quá trình phiên mã và thành thục

RNA để tổng hợp lên các dạng kháng thể bài tiết và bám màng đã được xẩy ra đối

với lớp kháng thể IgM. Bằng chứng gần đây chứng tỏ rằng đường hướng này cũng

xảy ra đối với cả các lớp kháng thể globulin khác.

5. Trình tự tín hiệu điều khiển quá trình sắp xếp lại các genome

- Sự sắp xếp lại genome xảy ra trong quá trình phát triển của tế bào B được điều

khiển như thế nào? Yếu tố nào chịu trách nhiệm kiểm soát tái tổ hợp soma, cụ thể

là kiểm soát quá trình mà một đoạn gen V chỉ kết gắn với một đoạn gen J chứ

không kết gắn với đoạn gen V khác hay kết gắn trực tiếp với đoạn gen C.

- Hiện người ta đã xác định được trình tự một số đoạn DNA trên nhiễm sắc thể

mang tụ tập những đọan gen V, D và J của chuột và người. Từ kết quả trình tự cặp

Nu cho thấy tồn tại một sô trình tự tín hiệu giúp kết gắn đặc thù giữa V-J, V-D và

D-J. Nhiều trình tự tín hiệu tương tự cũng đã được phát hiện nằm gần tất cả các

đoạn gen V. Tương tự, tất cả các đoạn gen J cũng có những trình tự tín hiệu giống

nhau, nằm ở gần các trình tự mã hóa chúng. Tuy nhiên, các trình tự tín hiệu có

khác nhau từ vùng lân cận đến đoạn gen V. Trong khi đó đoạn gen D và C có trình

tự tín hiệu riêng nằm ở lân cận.

- Trình tự tín hiệu kiểm soát quá trình gắn kết giữa V-J, V-D và D-J chứa 7 cặp Nu

(heptamer) và 9 cặp Nu (nonamer) được tách rời bởi những khoảng trống khác

nhau nhưng có chiều dài đặc thù, để gắn kết Vk-Jk thì khoảng trống ở trình tự tín

hiệu Vk dài 12 cặp Nu, trong khi đó khoảng trống của trình tự tín hiệu JK dài 22 cặp

Nu.

- Trình tự heptamer và nonamer nằm ngay sau phía bên phải như được vẽ ở hình

16.4 và 16.8. Trình tự gen VK bổ xung ngay trước trình tự gen JK (hình 16.4 và 16.8

bên trái). Các trình tự tín hiệu này có khả năng hình thành nên cấu hình thân

(stem) hoặc kẹp tóc (loop) như đã được mô phỏng ở hình 16.8, nhờ vậy đã mang

đoạn gen JK và VK vào vị trí sẵn sàng kết gắn được với nhau. Hình như quá trình

kết gắn xảy ra chỉ khi một trình tự tín hiệu chứa một khoảng trống dài 12 Nu, còn

trình tự tín hiệu kia chứa khoảng trống dài 22 Nu. Kết gắn được tăng cường khi có

17

mặt của một số protein đặc thù làm trung gian cho quá trình gắn kết. Rất nhiều

trình tự tín hiệu tương tự hình như cũng để kiểm soát quá trình kết gắn VH-D và D-

JH, trong khi đó có một vài sự khác nhau giữa các trình tự tín hiệu giúp chuyển lớp

kháng thể.

6. Đa dạng kháng thể là kết quả gắn kết vị trí khác nhau và đột biến soma

18

- So sánh sự đa dạng về trình tự

amino acid tồn tại trong phân tử

kháng thể với trình tự amino

acid mong đợi từ trình tự đoạn

gen mã hóa kháng thể cho thấy

có sự đa dạng nhiều hơn về

trình tự amino acid của vùng V-

J so với trình tự Nu các đoạn

gen sinh ra nó. Các nghiên cứu

sau này đã chứng tỏ rằng sự đa

dạng thêm này có thể được giải

thích là do sự biến động về vị

trí tái tổ hợp khi gắn nối giữa

V-J. Thí dụ nếu sử dụng vị trí

kết gắn khác nhau giữa đoạn

gen VH và JH ở chuột được trình

bày ở hình 16.9. Trong quá

trình gắn kết giữa đoạn gen Vk41

với J5, thì tái tổ hợp có thể xảy

ra giữa 4 vị trí Nu nằm lân cận

tại vị trí cắt nối. Như đã trình

bày ở hình 16.9 d, cho thấy vị trí tái tổ hợp khác nhau đã tạo nên 4 trình tự Nu khác

nhau mã hóa 3 amino acid nhất định tại vị trí 96 của chuỗi nhẹ kappa ở chuột. Vì vị

trí amino acid 96 này xảy ra ở vùng trung tâm của chuỗi kháng thể nên nó có liên

quan đến quá trình bọc kháng nguyên.

- Sự kiện kết gắn V-J theo cách khác nhau đã góp phần đáng kể tạo ra sự đa dạng

phong phú về tính đặc thù của kháng thể của động vật có xương sống.

- Nhiều sự kiện kết gắn khác nhau tương tự cũng đã được phát hiện trong quá trình

tương tác kết gắn giữa VK-JK và VH-D-JH. Bởi thế việc sử dụng vị trí tái tổ hợp thay

19

thế trong quá trình xảy ra kết gắn có liên quan đến việc nắp ghép các gen tạo kháng

thể thành thục cũng tạo nên sự đa dạng của kháng thể.

- Mặc dù sự đa dạng của kháng thể được tạo ra là do: 1/ sự kết gắn khác nhau giữa

một gia đình lớn các đoạn gen V, D với J và 2/ do việc sử dụng vị trí tái tổ hợp

khác nhau trong phản ứng kết gắn gây ra. Còn một số nghiên cứu đáng quan tâm

khác chứng tỏ còn có một số cơ chế nữa có liên quan đến việc tạo ra sự đa dạng các

kháng thể. Các cơ chế đưa ra trên cơ sở so sánh: 1/ Trình tự cặp Nu đoạn gen biểu

hiện với trình tự của nó ở dòng tế bào mầm, 2/ So sáng trình tự amino acid của

kháng thể thực với trình tự amino acid mong đợi từ trình tự các Nu của gen. Thí dụ

khi so sánh trình tự amino acid thực của các chuỗi λ1 của chuột khác nhau với trình

tự amino acid mong đợi (dựa trên trình tự cặp Nu của các đoạn gen λ1) của chuỗi

nhẹ λ1 cho thấy chúng có sự khác nhau rất rõ ở vùng biến động so với vị trí nối.

Kết quả tương tự cũng xẩy ra ở vùng biến động của các chuỗi nặng. Trong tất cả

các trường hợp, sự thay đổi là do kết quả của quá trình thay thế từng cặp Nu đơn

gây nên. Sự thay thế như vậy có thể chiếm từ 1-2% các cặp Nu của các đoạn gen

mã hóa vùng biến động của các kháng thể. Sự thay thế cặp nu này được thừa nhận

là do xảy ra một vài cơ chế gây đột biến soma, đột biến này chỉ xảy ra đối với

những trình tự DNA mã hóa vùng biến động của các chuỗi kháng thể. Bởi vì sự

thay đổi này thường xảy ra ở vùng biến động của các gen sinh kháng thể thường

xuyên hơn nên quá trình này được gọi là đột biến siêu soma. Cơ chế của đột biến

siêu soma xảy ra như thế nào hiện vẫn chưa rõ.

- Đột biến siêu soma xẩy ra ở vùng gen kháng thể mã hóa ra vị trí bọc kháng nguyên,

có thể rất có ý nghĩa đối với sinh vật. Nếu không có cơ chế tạo ra sự đa dạng

kháng thể này xảy ra thì phạm vi đặc thù của kháng thể có được sẽ cố định theo

trình tự hiện có trong genome tại thời điểm vừa sinh ra và quá trình tái tổ hợp được

tạo ra bởi mức độ khác nhau của các phản ứng kết gắn các đoạn gen.

- Các virut và ký sinh gây bệnh khác nhau có liên quan và tạo ra một cách ổn định các

biến dạng mới với những chất xác định kháng nguyên mới.

20

- Để có được sức tự vệ đầy đủ đối với sự thay đổi về thành phần kháng nguyên các

virut và thành phần khác nhau của môt trường, thì hệ thống miễn dịch phải có khả

năng phản ứng nhanh với những thay đổi đó. Bằng cách nào đó tốt hơn để đảm bảo

bảo vệ được an toàn hơn là làm đảo lộn những gen sinh kháng thể với cơ chế riêng của

mình nhằm thích ứng nhanh chóng đối với các kháng nguyên mới có thể liên quan đến

quá trình siêu đột biến soma trong tương lai.

7. Có bao nhiêu tái tổ hợp được tạo ra

- Chúng ta biết rằng phần lớn sự đa dạng kháng thể là do quá trình kết gắn khác nhau

giữa các đoạn gen sinh các chuỗi kháng thể gây nên. Thí dụ số lượng chuỗi nhẹ

kappa ở người có thể có là 300 đoạn gen VK x 5 đoạn gen Jk sẽ bằng 1500 đoạn gen

VKJK được hình thành. Vùng biến động của chuỗi nặng còn tạo ra sự đa dạng cao

hơn nhờ các đoạn gen D của nó được nhân bội lên. Nếu giả sử có 300 đoạn gen VH,

25 đoạn đoạn gen D và 6 đoạn gen JH trong dòng tế bào mầm ở người, thì sẽ có

45000 vùng biến động của chuỗi nặng khác được sinh ra. Sử dụng cách ước đoán

này có thể sẽ có 67.500.000 các vị trí bọc kháng nguyên khác nhau có thể được

sinh ra nếu chỉ dùng chuỗi nhẹ Kappa. Các chuỗi nhẹ λ cũng tạo ra mức độ tương

tự nữa của đa dạng kháng thể.

- Rõ ràng rằng việc trộn lẫn các đoạn gen sinh kháng thể này đã được tạo ra một số

lượng kháng thể khổng lồ đáp ứng với sự đa dạng của các kháng nguyên. Hiện nay,

chúng ta còn biết có một cơ chế tạo ra sự đa dạng kháng thể nữa xảy ra theo 2 cơ

chế:1/ Là đột biến soma và 2/ Khả năng biến động tại các vị trí xảy ra sự liên kết

gắn giữa V-J, V-D và D-J. Như vậy phạm vi biến động có thể của sự đa dạng về

kháng thể hình như không có giới hạn.

8. Điều hòa quá trình phiên mã tăng cường tính đặc thù theo mô.

- Hiện người ta biết rằng các gen sinh kháng thể ở dòng tế bào mầm không được

phiên mã hoặc được phiên mã nhưng với cường độ rất thấp. Trong tế bào B sinh kháng

thể chỉ có 10 - 20% phân tử mRNA là của các gen sinh kháng thể. Sau đó thì điều gì

giúp chịu trách nhiệm để các phiên mã của các gen sinh kháng thể trải qua tái sắp xếp

và trở thành hoạt động. Trong trường hợp các gen sinh chuỗi nặng thì quá trình tái sắp

21

xếp đã đưa các promoter nằm ở đầu trên (uptream) của các đoạn gen LH- VH vào vùng

chịu ảnh hưởng của một yếu tố tăng cường mạnh nằm ở intron đoạn giữa gen JH và gen

CHμ (hình 16.10). Mỗi đoạn gen LH-VH chứa một promoter nằm ở vùng uptream của

gen. Tuy nhiên, trước khi xảy ra sắp xếp lại genome dẫn đến tổng hợp chuỗi nạng thì

yếu tố tăng cường này nằm xa promoter của LH-VH , điểm gần nhất cũng dài hơn

100.000 cặp Nu (hình 16.10 top).

- Thừa nhận rằng yếu tố tăng cường này không thể hoạt động phiên mã từ promoter

nằm xa như vậy được. Tuy nhiên, khi có quá trình tái sắp xếp xảy ra trong quá trình

phân hóa tế bào B (hình16.5) đã làm dịch chuyển promoter của đoạn gen LH-VH đến

vùng trong vòng ngắn hơn 2000 cặp Nu so với enhancer (hình 16.10 dưới). Lúc này

enhancer có thể hoạt hóa phiên mã bắt đầu từ promoter nằm ở uptream của đoạn gen

LH-VH. Enhancer có liên quan đến hoạt động tổng hợp chuỗi nặng và có tính đặc thù

theo mô, nó hoạt động phiên mã chỉ trong tế bào lymphocyte và không có ảnh hưởng

trong các tế bào có nguồn gốc từ mô khác. Vì rằng quá trình hoạt hóa đòi hỏi phải có

mặt của một yếu tố hoạt tính phiên mã, yếu tố phiên mã này chỉ được tổng hợp ở trong

các tế bào lymphocyte.

- Một yếu tố tăng cường tương tự cũng đã được phát hiện ở intron nằm giữa tụ điểm

đoạn gen chuỗi nhẹ JK và trình tự mã hóa CK. Bởi thế, hình như quá trình di

chuyển của promoter điều khiển gen sinh kháng thể đã vào được vùng ảnh hưởng

của yếu tố tăng cường đặc thù theo mô, đây có thể là một cơ chế hoạt hóa chung

của các gen sinh kháng thể trong quá trình phân hóa tế bào B.

22

8. Chọn lọc dòng vô tính

- Vấn đề đặt ra làm thế nào mà sinh vật có thể bắt đầu tổng hợp kháng thể đặc thù các

kháng nguyên mà trước kia nó chưa từng đối mặt. Điều này được giải thích theo

thuyết chọn lọc dòng vô tính. Hãy nhớ rằng, tất cả kháng thể được sinh ra từ một tế

bào B đơn đều có tính đặc thù bọc kháng nguyên giống nhau. Nhưng các tế bào khác

nhau trong quần thể tế bào B sẽ xảy ra quá trình sắp xếp lại genome khác nhau, dẫn

đến sẽ tạo ra các kháng thể có tính đặc thù khác nhau. Vì thế, quần thể tế bào B của

người hoặc chuột sẽ sinh ra rất nhiều loại khác thể.

- Thuyết chọn lọc vô tính của chuột sẽ

sinh ra rất nhiều loại khác thể. Thuyết

chọn lọc vô tính cho rằng việc bọc của

một kháng nguyên ngoại đặc thù với một

kháng thể trên bề mặt một tế bào B đã

kích thích tế bào đó phân chia tạo ra một

số lượng lớn các tế bào B đặc biệt, gọi là

một dòng tế bào giống hệt nhau và vì thế

có một lượng lớn các kháng thể đặc biệt

có thể nhận biết được kháng nguyên

ngoại, hình 16.11.

9. Sự loại trừ alen

- Đây là điểm cuối cùng về cơ chế điều

khiển di truyền quá trình tổng hợp

kháng thể. Mỗi tế bào chỉ sinh ra

được một loại kháng thể, thì tại sao ở

tế bào động vật có vú lưỡng bội,

chúng mang hai bộ thông tin di truyền

mã hóa cho mỗi một chuỗi kháng thể,

nhưng chỉ có một sự sắp xếp lại

gennome các chuỗi nhẹ mã hóa các

23

trình tự là có hiệu quả và một sự sắp xếp lại genome có hiệu quả đối với chuỗi

nặng mã hóa các trình tự xảy ra trong một tế bào B. Hiện tượng này được gọi là

hiện tượng loại trừ alen bởi vì do một trong các alen sẽ bị loại trừ ra khỏi quá trình

biểu hiện gen.

- Vậy câu hỏi đặt ra là bằng cách nào và tại sao lại có hiện tượng này, hiện tại

chúng ta vẫn chưa rõ nguyên nhân. Nhưng rõ ràng rằng phải có một cách nào đó

có cơ chế đáp lại đã chặn quá trình tái tổ hợp liên quan đến quá trình sắp xếp lại

các gen sinh kháng thể, khi sự sắp xếp này có hiệu quả xảy ra, thì các tế bào bắt

đầu tổng hợp một kháng thể chức năng. Cơ chế đơn giản nhất là liên quan đến sự

ức chế quá trình này bằng chính các kháng nguyên chín. Tuy nhiên, cần phải có

những nghiên cứu tiếp theo để xây dựng được cơ chế nhằm lý giải hiện tượng loại

trừ alen xảy ra.

10. Sự đa dạng về yếu tố thụ cảm tế bào T

- Tế bào T làm môi trường trong phản ứng miễn dịch của tế bào (hình 16.1). Tế bào

T nhận biết kháng nguyên trên bề mặt tế bào và giết tế bào bào nào mang kháng

nguyên này.

- Giống như kháng thể được tạo ta từ tế bào B, tế bào T có thể nhận biết và phá hủy

các tế bào mang nhiều loại kháng nguyên khác nhau. Bởi thế phản ứng của tế bào T

cũng biểu hiện một mức độ hiện tượng đặc thù.

- Bằng cách nào tính đặc thù này được sinh ra? Câu trả lời là tế bào T đã sinh ra chất

thụ cảm bọc màng, chất này rất giống như kháng thể được tạo ra bởi tế bào B. Tuy

nhiên, sự đa dạng về tính đặc thù của chất thụ cảm tế bào T được tạo ra bằng cách

sắp xếp lại genome tương tự như tạo ra kháng thể. Bằng cách nào tế bào T tránh

được việc tương tác với các kháng nguyên tự do, để tránh quá trình nhân đôi chức

năng của tế bào B trong phản ứng miễn dịch?. Khi sản sinh, tế bào T phải nhận

biết đồng thời cả kháng nguyên xâm phạm trên bề mặt tế bào và một protein khác

khi dính lên bề mặt tế bào. Protein bề mặt tế bào thứ hai mà tế bào T phải nhận biết

là sản phẩm của một trong số rất nhiều gen trong phức hợp tương hợp chính trong

ghép mô (MHC, major histocompatibility). Locus MHC mã hóa một nhóm phức

24

tạp các protein có mặt trong tất cả các tế bào của người hoặc chuột. Bởi thế, tế bào

T có khả năng nhận biết và phá hủy bất kỳ tế bào nào đang sản sinh ra một kháng

nguyên nhất định (protein vỏ một virut) của bất kỳ mô nào của cơ thể. Sự tương

tác chất thụ cảm tế bào T với 2 kiểu kháng nguyên trên bề mặt tế bào trên (kháng

nguyên xâm phạm và kháng nguyên ghép mô), được trình bầy ở hình 16.1.

- Chất thụ cảm tế bào T bao gồm 2 chuỗi polypeptide α và β, mỗi chuỗi được mã hóa

bởi các đoạn gen L-V, D, J và C giống như các chuỗi kháng thể. Các chuỗi trên cũng

chứa những vùng biến động hình thành nên vị trí bọc kháng nguyên và vùng bảo thủ

để đính chất thụ cảm lên bề mặt tế bào (hình 16.12a).

- Vùng biến động chất thụ cảm tế bào T được mã hóa bởi rất nhiều đoạn gen L-V, D

và J, vùng bảo thủ được mã hóa bởi một số lượng nhỏ hơn các đoạn gen C.

25

- Các gen sinh ra chất thụ cảm tế bào T được lắp ghép bởi quá trình tái sắp xếp lại

genome, xảy ra trong quá trình phân hóa tế bào T từ tế bào gốc cũng giống như

trường hợp của các gen sinh kháng thể trong quá trình phát triển tế bào B.

- Hình 16.12b chỉ ra rằng các đoạn polypeptide thụ cảm tế bào T là α và β được mã

hóa bởi các đoạn gen L-V, D, J và C. Protein thụ cảm α và β được mã hóa bởi các

đoạn gen cũng nằm tập trung trên nhiễm sắc thể tương tự như các đoạn gen sinh

kháng thể.

- Ở người tụ điểm các đoạn gen mã hóa sinh ra dạng thứ 3 của chuỗi thụ cảm tế bào

T có tên là γ, chuỗi này có mặt như là một dạng đặc thù của tế bào T. Có một số

dạng khác biệt của tế bào T nữa chúng cũng thực hiện các chức năng khác nhau

trong phản ứng miễn dịch.

- Cấu trúc các tụ điểm gen sinh chất thụ cảm tế bào T, rất giống nhau giữa của người

và chuột. Tổ chức các đoạn gen ở tế bào dòng mầm mã hóa chuỗi β của chất thụ cảm

tế bào T được trình bày ở hình 16.13a.

- Tổ chức gen sinh chuỗi β được sắp xếp lại để có được chức năng được trình bày ở

hình 16.13 b.

- Trình tự tín hiệu heptamer và nontamer cũng rất tương tự như quá trình điều khiển

sự sắp xếp lại gen sinh kháng thể và cũng có mặt khi cần thiết ở cùng vị trí trong

cụm gen sinh chất thụ cảm tế bào T.

26

- Sự có mặt của chúng ở cả 2 kiểu cụm gen chứng tỏ rằng có một cơ chế gắn kết các

đoạn gen tương tự được xẩy ra trong quá trình tái sắp xếp lại các gen của sinh

kháng thể và sinh chất thụ cảm tế bào T.

- Có thể có ít biến động trong chất thụ cảm hơn là ở trong kháng thể.

- Vùng biến động của chất thụ cảm tế bào T được mã hóa bởi chỉ khoảng 30 đoạn

gen V , trong khi đó có khoảng 300 đoạn gen V cho cả 2 chuỗi nhẹ kappa và chuỗi

nặng kháng thể kappa.

- Tuy nhiên, có nhiều hơn về các đoạn gen J trong cụm gen sinh chất thụ cảm tế bào

T, thí dụ có 12 đoạn gen J chứa chức năng đối với các chuỗi sinh chất thụ cảm β

hình 16.13.

- Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa biết các gen trải qua quá trình siêu đột biến soma.

- Dù sao đi nữa chất thụ cảm tế bào T cũng biểu hiện một số lượng lớn sự đa dạng và

sự đa dạng này cũng được tạo ra bởi sự tái tổ sắp xếp lại genome, trong quá trình tế

bào T phân hóa cũng giống như quá trình mà tế bào B xảy ra tạo ra sự đa dạng

kháng nguyên.

- Như đã đề cập ở trên, có một số dạng tế bào T khác nhau, chúng đóng vai trò khác

nhau trong quá trình phản ứng miễn dịch của tế bào. Chi tiết về các kiểu tế bào T,

chức năng của chúng, bạn đọc nên tham khảo chương 24 cuốn sách “immunity”

của sinh học tế bào phân tử, xuất bản bởi J. Darnell, H. Lodish và D. baltimore.

11. Tính phức tạp chủ yếu trong sự tương hợp khi ghép mô

- Phản ứng miễn dịch ở động vật có vú là một quá trình rất phức tạp có sự tham gia

của nhiều đại phân tử và nhiều loại tế bào khác nhau. Các phần trên chúng ta mới

chỉ đề cập đến quá trình kiểm soát di truyền việc tổng hợp các chuỗi kháng thể và

các protein thụ cảm tế bào T.

- Rất nhiều các thành phần khác của phản ứng miễn dịch như kháng nguyên cấy

ghép (transplanting antigen) chịu trách nhiệm chính trong việc loại bỏ mô ngoại

khi phẫu thuật cấy ghép mô được kiểm soát bởi một phức hợp nhiều gen, gọi là

phức hợp tương hợp chính trong cấy ghép mô MHC.

27

- Ở người các protein của MHC được mã hóa bởi locus HLA (human leukocyte

antigen complex) nằm trên nhiễm sắc thể số 6, còn ở chuột thì locus MHC là H-2

(Histocompatibility locus 2) và nằm trên nhiễm sắc thể số 17. Cả ở chuột lẫn người

locus MHC rất dài > 2 x 106 bp và chứa một số lượng lớn các gen. Hơn nữa, nhiều

gen chứa một số lượng lớn các allen xác định và khả năng mà có 2 cá thể bất kỳ

nào giống nhau về tất cả các gen MHC là cực kỳ nhỏ.

- Các gen MHC có tính đa hình rất cao do có một số lượng lớn alen của những gen

cá biệt thường được phân ly trong một quần thể nhất định.

- Gen MHC mã hóa 3 lớp protein khác nhau có liên quan đến nhiều khía cạnh của

phản ứng miễn dịch. Cấu trúc locus MHC người (HLA) và các vùng gen có liên

quan mã hóa các lớp khác nhau kháng nguyên ghép mô hòa hợp được trình bày

hình 16.14.

- Các gen lớp I mã hóa các kháng nguyên cấy ghép. Protein lớp I là glycoprotein

được cắm như các protein màng tổng hợp với chất xác định kháng nguyên, được

phơi ra bên ngoài tế bào. Chúng có mặt ở tất cả các tế bào của một sinh vật và cho

phép tế bào T phân biệt rõ bản thân mình hay ngoại lai.

28

- Protein lớp I là các kháng nguyên, thường chịu trách nhiệm trong quá trình loại trừ

mô ngoại, khi cấy ghép mô và cơ quan. Như được trình bày ở hình 16.12 các

kháng nguyên này đóng vai trò quan trọng giúp tế bào đơn T trong việc nhân diện

và phá vỡ các tế bào mang kháng nguyên ngoại. Chất thụ cảm tế bào T đơn được

cho là có kháng nguyên nhận biết cả 2 kháng nguyên ngoại và kháng nguyên cấy

ghép mô hòa hợp thuộc lớp I trong phản ứng miễn dịch của tế bào T.

- Các gen thuộc lớp 2 của MHC mã hóa các polypeptide đầu tiên, được định vị trên

bề mặt tế bào B và đại thực bào, protein lớp 2 MHC là một dạng đặc thù của tế bào

T gọi là tế bào trợ giúp T (T helper cell), có khả năng tự nhận biết và tạo điều kiện

thuận lợi giúp quá trình liên lạc giữa các loại tế bào khác nhau có liên quan đến

phản ứng miễn dịch.

- Cuối cùng là các gen thuộc lớp III của MHC mã hóa tạo các protein tương tác với

phức hợp kháng nguyên kháng thể và kích thích quá trình phân rã tế bào.

- Các kháng nguyên thuộc lớp I và II của MHC được cắm trên màng tế bào và có cấu

trúc rất giống với cấu trúc của các chất thụ cảm tế bào T (hình 16.12).

- Tuy nhiên, sự đa dạng kháng nguyên MHC ít hơn nhiều so với kháng thể và chất

thụ cảm tế bào T và từ lâu người ta đã biết rõ là không có quá trình tái sắp xếp lại

genome liên quan đến kiểm tra di truyền tạo ra sự đa dạng kháng nguyên MHC.

Thay vào đó, sự đa dạng quan sát được là do có một số lớn các gen MHC có tính

đa hình cao.

12. Tóm lại

- Hệ thống miễn dịch động vật xương sống giúp bảo vệ chúng chống lại sự xâm

nhiễm của vi sinh vật gây bệnh và các chất ngoại lai khác. Hệ thống miễn dịch rất

phức tạp, có liên quan đến 3 loại tế bào khác nhau: 1/ Tế bào B tạo kháng thể, 2/ Tế

bào T tạo ra chất thụ cảm và sử dụng chúng để lùng sục và phá hủy các tế bào có

mang kháng nguyên ngoại, 3/ Các đại thực bào thực hiện việc ăn tế bào có chứa

phức hợp kháng thể - kháng nguyên như virut, vi khuẩn.

29

- Hơn nữa, việc nhận diện tế bào T của tế bào sinh ra kháng thể ngoại, đòi hỏi sự có

mặt của các kháng nguyên ghép mô tương hợp đặc thù, được mã hóa bởi phức hợp

ghép mô tương hợp chính “(ở người là locus HLA).

- Đặc điểm đáng chú ý của phản ứng miễn dịch là hình như có một sự đa dạng không

giới hạn các kháng thể và protein thụ cảm tế bào T. Chúng có thể được tổng hợp

khi phản ứng với các kháng nguyên mà động vật trước đó chưa bao giờ tiếp xúc.

- Có hiện tượng đa dạng về tính đặc thù của kháng thể và tính đặc thù của chất thụ

cảm tế bào T được sinh ra. Thông tin di truyền mã hóa cho các chuỗi kháng thể

được tàng trữ trong một số bộ đoạn gen và các đoạn gen này kết hợp với nhau theo

những trình tự thích hợp nhờ cơ chế tái sắp xếp lại genome xảy ra trong quá trình

phát triển các tế bào sinh kháng thể (tế bào B).

- Cơ chế tương tự cũng đã tạo ra sự đa dạng đặc thù với kháng nguyên của các chất

thụ cảm tế bào T.

- DNA của dòng tế bào mầm chứa các gen mã hóa các protein thụ cảm tế bào T,

được tàng trữ dưới dạng những bộ đoạn gen, chúng được lắp ghép tạo thành các

gen chín trong quá trình phân hóa tế bào T từ tế bào gốc.

- Kháng thể chứa hai chuỗi nhẹ kappa hay λ và hai chuỗi nặng. Mỗi chuỗi kháng thể

chứa vùng biến động hình thành nên vị trí bọc kháng nguyên và một vùng bảo thủ

giúp đính kháng thể lên bề mặt màng tế bào, trong trường hợp kháng thế bám lên

màng tế bào.

- Vùng biến động của kháng thể chuỗi nhẹ được mã hóa bởi 2 đoạn gen, đối với

chuỗi nặng do 3 đoạn gen mã hóa. Các đoạn gen này tồn tại nhiều copy trong

DNA dòng tế bào mầm. Vùng bảo thủ kháng thể được mã hóa bởi các đoạn gen tồn

tại trong genome chỉ một đến vài copy trong một tế bào.

- Các gen quy định chuỗi nhẹ kappa được lắp ghép bởi quá trình sắp xếp lại genome

xảy ra trong quá trình phân hóa tế bào B từ khoảng 300 đoạn gen LK-VK, 5 đoạn

gen JK và một đoạn gen CK.

30

- Các gen quy định chuỗi nặng chức năng được lắp ghép từ khoảng 300 đoạn gen LH-

VH, 10 đoạn gen D, 4 đoạn gen JH và 8 đoạn gen CH.

- Việc sử dụng các vị trí thay thế nhau kết gắn các đoạn gen trong quá trình tái sắp

xếp lại genome và siêu đột biến soma trong nội tại các đoạn gen vùng biến động đã

đóng góp vào việc tạo ra sự đa dạng hơn nữa các kháng thể.

- Kháng thể có 5 lớp khác nhau là IgM, IgD, IgG, IgE và IgH. Lớp kháng thể được

xác định dựa trên cơ sở vùng ổn định của chuỗi nặng, vùng này xác định bởi đoạn

gen C, xẩy ra trong quá trình tổng hợp nên chúng.

- Quá trình chuyển lớp xảy ra khi tế bào B dừng tổng hợp thành lớp kháng thể này

và bắt đầu tổng hợp ra lớp kháng thể khác có cùng tính đặc thù kháng nguyên. Việc

chuyển lớp có liên quan đến quá trình biểu hiện của các đoạn gen quy định vùng

biến động giống nhau, nhưng có đoạn gen vùng ổn định của chuỗi nặng khác nhau.

- Quá trình chuyển lớp hầu hết xảy ra trong quá trình tái sắp xếp nữa của genome

tương tự với quá trình dẫn đến tổng hợp các chuỗi kháng thể gốc.

- Tuy nhiên, quá trình chuyển lớp cũng có thể xảy ra bởi cả quá trình cắt nối các

phiên mã theo các kiểu khác nhau.

- Các gen kháng thể dòng mầm được phiên mã với tốc độ rất thấp hoặc không phiên

mã chút nào. Quá trình tái sắp xếp có hiệu quả xẩy ra khi các đoạn gen sinh kháng

thể trong quá trình phân hóa tế bào B, đã làm hoạt hóa quá trình phiên mã các gen

lắp ghép, bằng cách dịch chuyển promoter, trước đó định vị ở vùng uptream nằm

xa đoạn gen L-V, đi vào khu vực chịu ảnh hưởng của một enhancer đặc thù theo

mô, nằm ở intron đoạn giữa cụm đoạn gen J và C.

- Hiện tượng chọn lọc vô tính đã giải thích quá trình sinh ra được một số lượng lớn

tế bào B, cùng tổng hợp nên một loại kháng thể có tính đặc thù bọc kháng nguyên

đặc biệt, tồn tại trong hệ thống lưu dẫn của động vật. Chỉ có một sắp xếp lại

genome chuỗi nhẹ và một chuỗi nặng là có hiệu quả và xảy ra trong một loại tế bào

B nhất định. Quá trình này gọi là quá trình loại trừ alen, rõ ràng phải được kiểm

soát bởi một loại cơ chế đáp ứng. Tuy nhiên, cơ sở phân tử của quá trình loại trừ

alen hiện vẫn chưa được sáng tỏ.

31

- Kháng nguyên lớp I được tạo ra bởi những gen phức hợp tương hợp ghép mô

(HLA). Ở người thường chịu trách nhiệm gây đào thải mô, trong phẫu thuật cấy

ghép mô và cơ quan. Các gen mã hóa kháng nguyên tương hợp ghép mô thuộc lớp

I thường có tính đa hình rất cao, bởi vậy cá thể khác nhau thường mang những

kháng nguyên tương hợp ghép mô không giống nhau.

32

Chương 17

Cơ chế di truyền điều khiển quá trình phân chia tế bào,

gen ung thư và tiền ung thư

I. Đặt vấn đề

- Bằng cách nào để một tế bào biết được mình đã sinh trưởng đủ lớn rồi khi đó nên

phân chia và sản sinh ra tế bào con cháu. Thậm chí ngay đối với các tế bào vi

khuẩn E. coli hiện chúng ta vẫn chưa rõ cơ chế phân tử nào xẩy ra mà qua đó tế

bào có thể đo được thể tích của mình tại một thời điểm xác định, rồi bắt đầu phân

chia vào đúng thời điểm đã định.

- Hiện chúng ta chỉ biết quá trình bắt đầu tái bản nhiễm sắc thể được kiểm soát chính

xác phụ thuộc vào điều kiện sinh trưởng. Hơn thế nữa rất nhiều các đại phân tử có

liên quan đến quá trình bắt đầu quá trình tái bản nhiễm sắc thể đã được nhận diện ở

vi khuẩn E.coli rất đáng tiếc mặc dù có một số mô hình được đề xuất nhằm giải

thích bằng cách nào các tế bào duy trì được tỷ lệ đảm bảo chính xác so với thể tích

tế bào, chi tiết điều khiển cơ chế điều khiển phân chia tế bào hiện vẫn chưa rõ.

- Ở tế bào nhân chuẩn, kiểm soát quá trình phân bào xẩy ra phức tạp hơn nhiều so

với sinh vật tiền nhân, bởi vì không những quá trình nhân đôi nhiễm sắc thể và

hình thành tế bào cần được điều khiển mà các thành phần khác của bộ máy phân

bào cần phải được hình thành và có chức năng tại một thời điểm chính xác của chu

kỳ tế bào.

- Ở tế bào nấm men Saccharomyces cerevisia quá trình phân bào được phân tách

thành từng công đoạn, nhờ phân lập và nghiên cứu một số dạng đột biến mẫn cảm

với nhiệt độ, chúng bị khóa tại các giai đoạn khác nhau của chu kỳ tế bào. Gen đột

biến ký hiệu là cdc điều khiển làm mất khả năng phân chia. Bằng cách xác định

các giai đoạn chu kỳ tế bào mà tại đó dạng đột biến cdc khác nhau bị cản trở. Các

nhà di truyền học đang bắt đầu xác định trình tự các sự kiện xảy ra trong quá trình

33

sinh trưởng và phân chia của tế bào. Nếu sản phẩm của các gen cdc này được nhận

diện và chức năng của chúng được xác định, thì chúng ta có thể xác định được quá

trình xảy ra trong chu kỳ tế bào ở mức độ phân tử. Mặc dầu còn quá nhiều vấn đề

cần nghiên cứu phía trước, nhưng chúng ta đã hiểu việc kiểm soát tế bào phân chia

ở mức độ phân tử và một số thành phần chính điều khiển chu kỳ tế bào quan trọng

hiện đã được nhận diện.

II. Điều khiển chu kỳ phân chia nguyên nhiễm ở sinh vật nhân chuẩn

- Khi một tế bào sinh trưởng, màng tế bào (và thành tế bào đối với tế bào thực vật)

và hầu hết các thành phần của tế bào chất đều tăng lên về kích thước và hoặc số

lượng. Khi tế bào đạt đến một khối lượng tới hạn thì tiến hành phân chia tạo ra 2

tế bào con nhỏ hơn. Dưới điều kiện thích hợp tế bào con sẽ sinh trưởng rồi lại phân

chia. Nếu một tế bào muốn trải qua chu kỳ này, thì có 2 quá trình chính tế bào phải

thực hiện một cách chính xác và đồng thời đó là: 1/ Vật chất di truyền phải được

nhân đôi tái bản DNA theo nguyên tắc tái bảo tồn, 2/ 2 copy của vật chất di truyền

phải được phân bố một cách trung thực về 2 tế bào con thông qua phân chia

nguyên nhiễm.

- Vậy làm thế nào một tế bào biết được khi nào phải bắt đầu tái bảo DNA? bắt đầu co

nhiễm sắc thể để phân chia nguyên nhiễm? bằng cách nào mà hai quá trình này xảy ra

một cách tuần tự để việc cô đặc nhiễm sắc thể nguyên nhiễm không bắt đầu trước khi

DNA được nhân lên? Rõ ràng tế bào phải có một cơ chế nào đó để giữ được lịch trình

một cách nghiêm khắc. Mặc dầu trả lời chi tiết vấn đề này hiện vẫn chưa có, nhưng

cũng đang bắt đầu có một số câu trả lời và đã phát hiện được một số chất chính trong

lưu dẫn điều khiển chu kỳ tế bào.

- Nghiên cứu về chu kỳ phân chia tế bào dạng đột biến cdc ở nấm

Schizosaccharomyces pombe và Saccharomyces cerevisia và nghiên cứu về quá trình

phân chia bị ngắt quãng xẩy ra ở phôi sinh con cóc Xenopus lacvis cho thấy có 2 thời

điểm tế bào phải trải qua để qua các giai đoạn tiếp theo của chu kỳ tế bào (hình 17.1).

Thời điểm đầu gọi là thời điểm bắt đầu, xảy ra vào thời điểm gần cuối pha G1, lúc này

tế bào trở lên sẵn sàng bắt đầu tổng hợp DNA, ngay sau đó là thời điểm bắt đầu pha S.

34

Thời điểm thứ 2 tế bào sẵn sàng trải qua cô đặc nhiễm sắc thể và tách các nhiễm sắc

thể trong phân bào nguyên nhiễm. Quá trình này xảy ra lúc mới bắt đầu pha M. Bằng

chứng gần đây chứng tỏ có một số protein điều hòa chính hoạt động như là những tín

hiệu cho cả 2 bước bắt buộc trên.

- Yếu tố kích thích phân bào nguyên nhiễm MPF (mitosis- promoting factor) lần đầu

tiên được phát hiện ở cóc. Khi MPF tiêm vào noãn bào cóc, nó đã kích thích noãn bào

bước vào pha M phân chia. MPF có chứa ít nhất 2 thành phần cần thiết: 1/ các protein

gọi là cyclins, chúng trải qua chu kỳ tổng hợp và tích lũy trong pha G1 và G2 và phân

rã trong pha M; 2/ protein kinase đặc thù cho bắt đầu pha M gọi là PP34 (PP có nghĩa

35

là Phospho protein là một protein có chứa nhóm phosphat ở chuỗi bên các amino acid

đặc thù và khối lượng nặng 34.000 Dal), protein này là sản phẩm của gen cdc2 của

nấm Schizosaccharomyces pombe và của gen CDC28 của nấm Saccharomyces

cerevisia. Các nghiên cứu gần đây cho thấy PP34 có liên quan đến cả 2 sự kiện bắt

buộc là khởi đầu và ngay đầu pha M. Hơn thế nữa nhiều kết quả còn cho thấy việc

phosphoryl hóa và mất phospho ở một amino acid Tyrosine (Tyr 15, amino acid thứ 15

kể từ đầu amino) có thể điều khiển trực tiếp cả hai quá trình tái bản DNA và bắt đầu

pha M khi PP34 tương tác với những cylin thích hợp (hình 17.1). Nghiên cứu gần đây

còn cho thấy protein kinase PP34 tương tác với 2 lớp Cyclin, lớp một là M – cyclin, có

liên quan đến quá trình điều khiển pha M và lớp thứ 2 G1- Cyclin có liên quan đến quá

trình bắt đầu phân chia.

- Mặc dầu còn một thành phần nữa trong lưu dẫn đang còn nghi là có liên quan đến

điều khiển chu kỳ tế bào ở sinh vật nhán chuẩn, chất cyclins và protein kinase PP34 là

thành phần chính và protein tương đồng được nhận diện ở một số sinh vật nhân chuẩn

bao gồm cả người, ếch, nhím biển và sao biển. Một trong những khía cạnh hấp dẫn là

đã phát hiện có một hoặc nhiều phân tử giống nhau có liên quan đến 2 bước bắt buộc,

như thế chứng tỏ có một cơ chế nào đó theo đó tế bào có thể nhớ dựa trên cơ sở trạng

thái hình thể của các phân tử này tại nơi chúng có mặt trong chu kỳ tế bào và vì thế đã

tác động đồng thời một cách chính xác lên pha khởi đầu và pha M. Rõ ràng hiểu biết

của chúng ta về các cơ chế phân tử kiểm tra các bước trải qua chu kỳ tế bào vẫn còn

chưa được hoàn chỉnh. Tuy nhiên, các thông tin mới đây được tập hợp lại rất nhanh và

chúng ta có thể dự đoán rằng bức tranh lưu dẫn điều khiển sự sinh trưởng và phân

chia của tế bào sé có trong vài năm tới ít ra cũng có ở sinh vật nhân chuẩn đơn giản

như nấm.

III. Liên lạc giữa các tế bào ở sinh vật nhân chuẩn đa bào

- Cơ chế kiểm soát quá trình phân chia tế bào ở sinh vật nhân chuẩn đa bào rất phức

tạp vì có cấu tạo đa bào cho nên sự liên lạc giữa các tế bào đóng vai trò quan trọng.

- Mỗi mô trong một cơ quan và mỗi cơ quan trong một cơ thể sinh vật phải sinh

trưởng đến một kích thước nhất định. Sự sinh trưởng của xương, cơ, gan và lá lách…

36

tất cả phải được xảy ra đồng thời và chính xác trong quá trình sinh trưởng và phát triển

của một con chuột, thỏ và nguời.

- Để đạt được thì quá trình phân chia tế bào phải được kiểm soát rất chính xác trong

mỗi mô và phải là đối tượng đối với những tín hiệu điều hòa khác nhau.

- Trong nhiều mô và cơ quan, vì tồn tại nhiều mối quan hệ qua lại rất phức tạp giữa

các mô, cơ quan thực động vật đa bào nên sự liên lạc giữa các tế bào đóng một vai trò

trung tâm và cần thiết trong quá trình sinh trưởng tế bào và phân hóa động thực vật bậc

cao.

- Làm thế nào các tế bào liên lạc được với nhau? Cơ chế nào quá trình phân hóa, sinh

trưởng và phân chia tế bào được điều khiển.

- Hiện nay chúng ta biết rằng có rất nhiều yếu tố kích thích hoặc ức chế sự sinh trưởng

và phân chia tế bào đặc thù.

- Tuy nhiên, chúng ta chưa rõ bằng cách nào mà bất kỳ các yếu tố này lại ảnh hưởng

đến quá trình phân chia tế bào ở mức phân tử.

- Có đủ những thông tin được tích lũy chứng tỏ sự phức tạp của toàn cảnh bức tranh,

nhưng hiện tại chúng ta mới chỉ bắt đầu hiểu được một vài công đoạn của bức tranh

phức tạp này.

- Phân chia tế bào cũng giống như tất cả các quá trình sinh học khác được kiểm tra di

truyền, phải có một số gen nhất định điều khiển quá trình phân chia tế bào, các gen này

phản ứng lại với môi trường bên ngoài tế bào, gian bào và nội bào.

- Gen điều hòa cũng như các gen khác cũng có thể là mục tiêu của đột biến. Đột biến

làm mất chức năng của các gen điều hòa, dẫn đến phân chia tế bào bất bình thường,

nếu quá mức dẫn đến tế bào sẽ không còn khả năng phân chia hoặc là mất khả năng

dừng phân chia.

- Hiện tại chúng ta chưa rõ chi tiết quá trình phân chia tế bào được kiểm soát như thế

nào đối với bất kỳ tế bào của bất kỳ động vật bậc cao nào, và chúng ta chưa nhận diện

được hết tất cả các gen điều hòa điều khiển quá trình này ở bất kỳ sinh vật nhân chuẩn

nào. Tuy nhiên những nghiên cứu gần đây về các gen của virut gọi là gen ung thu

37

(oncogenes) từ tiếng Hy lạp có nghĩa là u) gen này có thể gây mất khả năng kiểm soát

quá trình phân chia tế bào bình thường nhờ đó cho phép chúng ta nhận diện được 1 bộ

gen tương đồng gọi là gen tiền ung thư (proto-oncogenes) ở trong genome của các

động vật bình thường bao gồm cả người. Những gen tiền ung thư của tế bào bình

thường này bị đột biến có thể chuyển thành gen ung thư (oncogene) gây tạo khối u

hoặc trở thành có khả năng kết hợp với những trình tự điều hòa mới thông qua quá

trình tái tổ hợp. Quan sát này với một số quan sát thấy liên quan đã chứng tỏ răng chức

năng tế bào bình thường của các gen tiền ung thư có liên quan đến khía cạnh đặc thù

điều khiển tế bào phân chia. Trong thực tế để hiểu được việc kiểm soát tế bào phân

chia bình thường có thể phải nghiên cứu về quá trình làm mất sự kiểm tra bình thường

sẽ xảy ra tế bào ung thư.

IV.Tế bào ung thư mất khả năng kiểm soát quá trình phân bào

- Ung thư là biểu hiện của lọai bệnh có biểu hiện quá trình sinh trưởng và phân chia tế

bào không kiểm soát được, trong các mô tĩnh tại sự sinh trưởng của tế bào không được

kiểm soát đã sản sinh ra một lượng lớn các tế bào gọi là khối u. U ung thư hoặc u ác

tính là khối u mà từ đó các tế bào tách ra và di truyển đến các nơi khác của cơ thể hình

thành ra những khối u thứ cấp (quá trình này được gọi là di căn). Các u không ung thư

hoặc u lành tính thì không có khả năng di căn.

- Ung thư người đã gây tổn thất to lớn bởi thế có chúng ta đã phải tiêu tốn khối lượng

lớn tiền của và những cố gắng để nghiên cứu bệnh này. Mặc dầu có nhiều tiến bộ trong

việc phát hiện và xử lý bệnh này nhưng còn hơi ít về việc hiểu biết cơ sở phân tử của

bệnh ung thư. Tuy nhiên hiện có những bằng chứng có liên quan đến trên 40 gen ung

thư gây các loại bệnh ung thư khác nhau. ở động vật được phát hiện.

V. Virus kích thích sinh khối u, gen ung thư virus

- Hầu hết các thông tin chúng ta biết được về gen gây ung thư là từ những nghiên cứu

về RNA virut gây khối u hay Retrovirus, các virus này có thông tin di truyền được

tàng trữ dưới dạng sợi đơn RNA và sau đó chuyển thành dạng sợi kép DNA tương

38

đồng sau khi lây nhiễm vào tế bào ký chủ. Vì thế chúng sử dụng dòng thông tin di

truyền muộn thường thì thông tin di truyền chuyển từ DNA đến RNA qua quá trình

phiên mã. Các retrovirus mã hóa một enzyme đặc thù là Reverse transcriptase enzyme

này xác tác quá trình tổng hợp trình tự DNA tương đồng sử dụng phân tử RNA làm

khuôn mẫu.

- Genome DNA của những virut gây khối u như polyomavirus Sv40 siman virus40) và

adenovirus cũng chứa các oncogene có khả năng kích thích sự sinh trưởng mất kiểm

soát của tế bào động vật nuôi trong môi trường. Tuy nhiên gen gây ung thư của các

virus DNA này khó nghiên cứu hơn là của retrovirut vì đặc tính sinh khối u của những

virus này không được phân biệt một cách rõ ràng với những ảnh hưởng được gây lên

bởi quá trình tái bản nhiễm sắc thể virus và quá trình biểu hiện của các gen virus khác

mà cuối cùng làm cho tế bào ký chủ chết, vì thế đề cập về gen ung thư của virus trong

chương này chỉ giới hạn đối với những oncogene của retrovirus.

1 . Chu kỳ sống của virus ung thư Rous

- Đây là virus được nghiên cứu nhiều nhất Rous là tên một nhà khoa học phát hiện ra

virus này, còn Sarcoma là một loại bệnh ung thư nó gây nên ở tế bào gà. Chu kỳ sống

của virus Sarcoma được mô tả ở hình 17.2. Ngay sau khi virus xâm nhiễm vào tế bào,

genome RNA của nó tái bản tạo thành DNA nhờ enzyme sao chép ngược và DNA của

nó được kết nhập vào DNA nhiễm sắc thể của tế bào ký chủ ở trạng thái kết gắn này

nó được tái bản và phiên mã nhờ bộ máy trao đổi chất của tế bào ký chủ giống như

những gen bình thường khác của tế bào ký chủ.

39

- Genome của virus Rons sarcoma chứa 4 gen gag má hóa protein vỏ của virion, gen

pol mã hóa sinh enzyme sao chép ngược, gen env má hóa protein vỏ virus và gen gây

ung thư src mã hóa tạo ra protein bọc màng kinase. Genome của virus cũng mang một

promoter rất mạnh của riêng mình vì thế mà 4 sản phẩm gen virus được tổng hợp

mạnh. Gen src chịu trách nhiệm hoàn toàn về khả năng gây bênh ung thư, nếu mất gen

này thì virus gây nhiễm tái bản giống như virus chứa src trước đó nhưng hoàn toàn

không sinh ra được gen gây ung thư.

2. Đa hình gen ung thư retrovirus

- Kết quả nghiên cứu một số virus khác ở chuột, gà và khỉ, đến nay đã nhận diện được

hơn 20 gen ung thư khác nhau (bảng 17.1)

- Nhưng virus Retrovirus khác nhau gây nên bệnh ung thư tương tự thường chứa

những gen ung thư giống nhau hoặc gần giống nhau. Vì thế có thể chỉ có một số tương

đối nhỏ gen ung thư duy nhất được phát hiện.

40

- Hiện tại đã xác định được trên 40 gen ung thư của virus bao gồm cả virus DNA

3. Sản phẩm gen ung thư là chất điều hòa phân bào

- Gen ung thư kích thích sự sinh trưởng của tế bào không kiểm soát được đã dẫn đến

tạo khối u, vì thế chúng ta có thể dự đoán rằng các sản phẩm của gen này hoạt động đã

kích thích phân chia tế bào. Thực vậy, hiện tại đã biết rõ ràng những sản phẩm của

gen ung thư đóng góp những vai trò khác nhau trong việc điều khiển quá trình phân

bào của một hoặc nhiều dòng tế bào. Thí dụ sản phẩm của gen ung thư v-sis của virus

simian (ở khỉ) có liên quan đến hoocmon sinh trưởng polypeptide gọi sinh trưởng có

nguồn gốc từ tiểu huyết cầu (platelet – devived growth factor PDGF). PDGF được tế

bào tiểu huyết cầu sinh ra có tác dụng làm lành vết thương bằng cách kích thích sinh

trưởng của các tế bào tại vị trí bị thương. Virus Sarcoma ở khỉ chứa gen v-sis đã kích

thích tạo sarcoma khi tiêm vào con khỉ lông len, chúng còn làm biến thể các nguyên

bào sợi sinh trưởng trong môi trường nuôi cấy để hình thành trạng thái u hay khối u.

Người ta thừa nhận rằng biến đổi tế bào này thì trạng thái ung thư xảy ra do cơ chế có

liên quan đến hiệu quả của PDGF bình thường lên các tế bào ở vị trí bị thương.

41

- Các gene ung thư khác mã hóa tạo ra các sản phẩm giống như yếu tố sinh trưởng và

chất thụ cảm hocmon. Gene ung thư erbB và gene ftns mã hóa tạo các protein có liên

quan chặt đến các chất thụ cảm tương ứng đối với các yếu tố sinh trưởng biểu bì và

yếu tố sinh trưởng CSF-1. CSF-1 là yếu tố sinh trưởng có tác dụng kích thích sự sinh

trưởng và phát triển của đại thực bào. Cả hai chất thụ cảm sinh trưởng này là những

protein xuyên màng chính vùng hoặc yếu tố sinh trưởng nằm bên ngoài tế bào vè vùng

protein kinase nằm bên trong tế bào. Các chất thụ cảm này là thành phần chính trong

42

quá trình truyền tín hiệu qua màng. Cuối cùng, sản phẩm của gene erbA là một dạng

chất thụ cảm nhận đối với hoocmon tuyến giáp T3. Do đó tất cả sản phẩm của các gen

đều có liên quan đến quá trình giao lưu giữa các tế bào có tác dụng điều khiển quá

trình phân chia tế bào trong quá trình sinh trưởng và phát triển của các mô và cơ quan

phân hóa cao trong sinh vật đa bào.

- Vì những protein thụ cảm xuyên màng này có khả năng truyền tín hiệu mitogenic là

tín hiệu bảo tế bào phân chia tyrosine kinase, nên không ngạc nhiên nếu thay đổi cấu

trúc và chức năng của các protein này đôi khi sẽ gây nên ung thư. Nếu chúng hoạt

động yếu và truyền tín hiệu bảo tế bào phân chia trong khi bình thường nó sẽ không

phân chia thì kết quả sẽ hình thành khối u.

- Một nhóm lớn các gene ung thư (gồm src) mã hóa sinh ra protein kinase protein này

sẽ phosphoryl hóa ở các vị trí amin tyrosine. Một số vị trí này có thể rất giống với chất

thụ cảm đối với yếu tố sinh trưởng biểu bì và CSF nhưng chứa các chất thụ cảm đối

với các nhân tố phân chia chưa được xác định. Tuy nhiên protein tyrosine kinase src

thì không phải là một protein xuyên màng, nhưng lại có liên kết chặt chẽ với mặt trong

của màng nguyên sinh chất. Mặc dù protein kinase có hoạt tính cao, chúng được

phosphoryl hóa tại axit amin tyrosine, chúng ta vẫn chưa hiểu được có một số phân tử

của quá trình gây ra ung thư của gene hoặc protein nào là yếu tố điều khiển quan trọng

cho hoạt động của nó.

- Gene ung thư ras mã hóa các protein bọc GTP và biểu hiện hoạt tính GTPase. Chúng

có thể giống với các protein G có hoạt tinh GTPase và đóng vai trò trong điều khiển

enzyme adenyl cyclase và do đó và vì thế mức độ của AMP vòng trong tế bào. Chức

năng của các sản phẩm gene ras đang được quan tâm vì có nhiều bằng chứng cho thấy

chúng có liên quan đến các sản phẩm gene ras đặc hiệu trong một số loại bệnh ung thư

nhất định ở người

- Cuối cùng một vài gene ung thư khác như jun, fos, erbA và myc mã háo tạo các yếu

tố phiên mã trong nhân, chúng hoạt động giúp sự bireeur hiện của những gene đặc thù.

Rõ ràng, một số gene hoạt động sẽ chứng tỏ để mã hóa các sản phẩm có chức năng là

chất điều hòa giúp tế bào phân chia.

43

- Tóm lại, sản phẩm của các gene ung thư là những protein đóng vai trò trung tâm

trong việc kích thích tế bào phân chia một hoặc nhiều lần. Trong một số trường hợp

sản phẩm của các gene này có thể bị thay đổi hoặc tạo protein đột biến cái mà kích

ngòi giúp tế bào phân chia cái mà bình thường không phân chia trong điều kiện tồn tại.

Một số trường hợp khác, sản phẩm gene ung thư đã kích thích sự phân chia tế bào một

cách bất bình thường bằng cách tạo ra quá nhiều hoặc tổng hợp được số lượng lớn hơn

tế bào bình thường.

VI. Gene tiền ung thư và gene ung thư tế bào

- Nhiều gene có trình tự DNA rất giống với các gene ung thư của retrovial và mã hóa

các protein có đặc tính tương tự được định danh trong bộ gene của động vật bậc cao

bao gồm cả người bằng cách sử dụng 2 hướng thí nghiệm khác nhau. 1/ Hướng thứ

nhất có liên quan đến tìm các trình tự DNA trong tế bào có thể lai chéo được với các

gene ung thư của virus động vật. Hướng thứ 2 có liên quan đến tìm trực tiếp những

gene gây ung thư trong genome của tế bào ung thư bằng thí nghiệm truyền nhiễm .

Trong thí nghiệm này người ta tách chiết DNA của các tế bào khối u sau đó đưa vào

các tế bào bình thường đang nuôi cấy mô để xem nếu nó có thể biến đổi được các tế

bào bình thường này thành tế bào ung thư không? Cả 2 hướng nghiên cứu này đều đã

thành công và trong một số trường hợp cả hai thí nghiệm đều cho kết quả giống nhau

đối với mỗi loại gene ung thư. Những gene tương đồng với một số gene ung thư của

virus thường tồn tại ở những sinh vật nhân chuẩn bậc thấp như nấm men.

1. Tính tương đồng với các gene ung thư của virus

- Như đã đề cập ở phần trên, gene ung thư src lần đầu tiên được xác định trong bộ

gene của virus gây bướu thịt cá trích (RSV) được phân tách từ gà. Khi sử dụng enzyme

sao chép ngược đảo ngược gen src của virus RSV thành dạng cDNA (hình 13.3) và

cDNA này được đánh đấu phóng xạ bằng 32P rồi sử dụng làm mẫu dò trong thí nghiệm

lai DNA (Southern blot) với DNA genome của các con gà bình thường thì thấy cDNA

gene src được lai với những đoạn cắt đặc thù DNA genome trong nhiều lần nghiên

cứu. Điều thực tế này không liên quan gì đến nguồn DNA của gà nghiên cứu. Hơn thế

44

nữa những trình tự DNA genome tương tự cũng có thể lai được với mẫu dò cDNA của

gene src đã được phát hiện trong tất cả các động vật có xương sống, thậm chí cả ở ruồi

giấm

- Nhiều nghiên cứu sau này cũng cho thấy các nguồn DNA genome từ nhiều nguồn tế

bào bình thường của tất cả các động vật bậc cao đều chứa các trình tự DNA có thể lai

được với tất cả các trình tự gene ung thư của retroviral. Trong một số trường hợp, các

trình tự này tương đồng với các gene ung thư của retroviral như ras chẳng hạn cũng

được phát hiện ở các sinh vật nhân chuẩn bậc thấp như nấm men.

- Người ta có thể bắt đầu phán đoán bằng những trình tự DNA genome lai được với

gene ung thư này tồn tại đơn giản trong các provirus kết gắn. Tuy nhiên điều này

chứng tỏ không phải là một ngoại lệ. Thực sự khi những trình tự này được tách ra từ

thư viện genome rồi đặc tính hóa thì chúng được thấy như là những gene bình thường

về cấu trúc khác hẳn so với những gene ung thư của virus tương đồng. Những gene tế

bào bình thường có tương đồng với gene ung thư hiện nay được gọi là gene tiền ung

thư potoencogene. Trong một số trường hợp, những gene tiền ung thư này có thể đột

biến thành những dạng có khả năng gây ung thư. Tức chuyển trạng thái tế bào thành

trạng thái khối u hoặc giống ung thư. Ở trạng thái giống ung thư được gọi là gene ung

thư tế bào, để phân biệt với các phần khác của virus.. Điều này có nghĩa rằng bây giờ

chúng ta phải phân biệt rõ gene ung thư virus như là v-onc, v-src, v-sis và v-myc.

- Điều thú vị là một số gene giống với gene ung thư tế bào được phát hiện bằng cách

lai với trình tự gene ung thư của virus cũng đã được phát hiện trên cơ sở khả năng của

chúng biến dạng các tế bào nuôi cấy thành trạng thái khối u hoặc giống khối u như

những nghiên cứu chuyển DNA trực tiếp gọi là những thí nghiệm truyền nhiễm.

2. Thí nghiệm truyền nhiễm (Transfection)

- Việc phát hiện những gene ung thư tế bào bằng thí nghiệm chuyển nhiễm

(transfection) dựa trên cơ sở khả năng của gene ung thư làm đảo ngược tế bào không

ung thư thành trạng thái ung thư. Hiện tượng này gọi là hiện tượng biến nạp tế bào,

khác hoàn toàn so với quá trình cũng gọi là biến nạp (transformation) do tái tổ hợp xẩy

ra ở vi khuẩn.

45

- Khi tế bào bình thường (nontransformed, không biến nạp) sinh trưởng trong môi

trường nuôi cấy sẽ ngừng phân chia khi chúng tiếp xúc với các tế bào bên cạnh, hiện

tượng này gọi là hiện tượng ức chế do tiếp xúc (contact inhibition), nhờ vậy chúng

hình thành nên một lớp đơn tế bào trên bề mặt bình nuôi cấy hoặc đĩa petri nuôi chúng.

Tế bào biến nạp không biểu hiện hiện tương ức chế tiếp xúc này, chúng tiếp tục phân

chia mặc dầu đã tiếp xúc với tế bào bên cạnh và sẽ hình thành nên nhiều đống tế bào

hoặc khối u trên bề mặt bình nuôi cấy (hình 17.3).

- Khi DNA của tế bào bình thường được sử dụng trong thí nghiệm truyền nhiễm, kết

quả có rất ít nhưng phát hiện được sự biến nạp tế bào xẩy ra. Khi DNA của tế bào

biến nạp được sử dụng lần hai thí nghiệm truyền nhiễm đã phát hiện thấy tần số biến

nạp tế bào cao hơn xẩy ra. Tần số cao hơn nữa nếu dùng DNA của những dòng tế bào

biến nạp nhất định so với việc dùng DNA các nhân dòng tế bào biến nạp khác nhau.

Điều này chứng tỏ rằng những thay đổi di truyền có vai trò đối với trạng thái biến nạp

ở nhóm nhân dòng tế bào đầu, nhưng những thay đổi trên bề mặt (noninherited

developmental changes, thay đổi quá trình phát triển không được di truyền) chịu trách

nhiệm tạo trạng thái biến nạp trong nhóm dòng tế bào thứ hai.

- Thí nghiệm truyền nhiễm cũng đã được sử dụng để chúng tỏ sự hiện diện các gen

ung thư tế bào trong dòng tế bào nuôi cấy có nguồn gốc khác nhau và khối u động vật

do hóa chất gây nên.

- Hầu hết các gen ung thư được phát hiện qua thí nghiệm truyền nhiễm đã được phân

lập sử dụng kỹ thuật nhân dòng gen và tái tổ hợp DNA.

- Khi gen ung thư phân lập này so sánh với gen ung thư của retroviruses, bằng nhiều

cách khác nhau như lai DNA, phân tích enzyme giới hạn và giải trình tự DNA, nhiều

gen đã phát hiện là có tương đồng với gen ung thư của retrovirus. Thí dụ như gen ung

thư c-H-ras nhận diện thông qua thí nghiệm truyền nhiễm sử dụng DNA tế bào ung

thư bàng quang người tương đồng với gen ung thư v-H-ras của virus bướu thịt Harvey.

3. Gen ung thư tế bào chứa intron, sự tương đồng virus chứa toàn exon

46

- Gen ung thư của virus cũng có nhiều đoạn tương đồng với nhiều trình tự DNA trên

nhiễm sắc thể của cây và con bình thường. Trình tự tương đồng này khác so với gen

ung thư virus là có trình tự ngắt mã giống như hầu hết các gen nhân chuẩn khác.

- Gen ung thư và tiền ưng thư tế bào thường có nhiều exon xen giữa các intron, trong

khi gen ung thư virus chỉ bao gồm toàn exon đơn. Gen tiền ung thư tế bào src gà chứa

11 intron xen 12 trình tự mã hóa, trong khi gen v-src của virus RSV (Rous sarcoma

virus, virus bướu thịt Rous) chỉ có một trình tự mã hóa không ngắt quãng (hình 17.4).

- Gen v-src và c-src mã hóa protein kinase xúc tác gắn gốc phosphat vào các vị trí

tyrosine. Hai protein kinase này có cùng kích thước và cấu trúc rất giống nhau, cả hai

đều phản ứng với protein kháng nguyên gen v-src.

- So sánh trình tự nu của gen c-src gà với gen v-src của một chủng virus RSV, chủng

Schmid-Ruppin cho thấy hai gen mã hóa sinh 2 protein rất giống nhau. Protein c-src

dài 533 amino acid, còn protein v-src dài 526 amino acid. Phần khác nhau giữa hai

protein xẩy ra ở đầu cacboxyl, tại đây 12 amino acid cuối của protein v-src được thay

bằng 19 amino acid khác hoàn toàn nhau của protein c-src. Sự khác nhau trong 18 cặp

nu đơn ở trình tự mã hóa của 2 gen v-src và c-src dẫn đến làm thay đổi 8 amino acid

của protein sản phẩm. Sự thay đổi 8 amino acid của protein v-src chủng virus RSV

Schmid-Ruppin hình như không có liên quan gì đến khả năng sinh ung thư của protein

v-src vì nó không thường có ở các gen ung thư virut v-src của các chủng RSV khác.

Sự khác nhau chủ yếu giữa 2 gen này là ở 11 intron có trong gen c-src, còn không có

intron nào ở gen v-src (hình 17.4).

- Hiện chúng ta vẫn chưa rõ bằng cách nào protein kinase do gen ung thư của virus mã

hóa gây nên được khối u, tuy nhiên có thể có một cơ chế liên quan đến phần lớn các

enzyme sinh ra trong tế bào nhiễm virus. Lượng protein kinase trong tế bào u gà

nhiễm virus RSV lượng protein kinase v-src cao hơn 100 lần tế bào gà bình thường.

4. Bảo tồn gen tiền ung thư trong tiến hóa

- Sản phẩm của gen tiền ung thư đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng và

phân chia tế bào nên chúng được bảo tồn cao trong tiến hóa.

47

- Gen c-src được tìm thấy không những ở gà mà còn ở nhiều loài chim khác, ở động

vật có vú, gồm cả người, cá và thậm trí cả côn trùng ruồi dấm.

- Nhiều gen tiền ung thư khác được bảo tồn ở nhiều loài sinh vật khác nhau. Tất cả

động vật xương sống đều có gen tiền ung thư tương đồng với tất cả các gen ung thư

liệt kê ở bảng 17.1.

- Ruồi dấm chứa các gen tế bào bình thường biểu hiện tương đồng cao với các gen ung

thư tế bào động vật xương sống khác như: c-abl, c-erbB, c-fps, c-raf, c-ras và c-myb,

hơn thế còn tương đồng với cả gen c-src. Genome ruồi dấm chứa 2 gen tương đồng

với src và 3 gen tương đồng với ras giống như các genome động vật xương sống.

- Gen tiền ưng thư ras được tìm thấy 2 tương đồng ở trong nấm men saccharomyces

cerevisiae, chứng tỏ có nhiều gen tiền ung thư được bảo tồn rộng trong quá trình tiến

hóa.

- So sánh trình tự các gen tiền ung thư tương đồng giữa các loài cho thấy chúng hầu

hết chúng được bảo tồn rất cao, trình tự nu khác nhau it hơn 15%, thậm trí so sánh ở 2

loài xa nhau như nấm men và động vật có xương sống thì trình tự amino acid gen tiền

ung thư ras, dự đoán dựa trên trình tự nu thấy 2/3 vị trí amino acid vùng đầu amin của

protein giống nhau đến 75%.

- Vùng bảo thủ cao thực hiện cùng chức năng hoặc có chức năng rất tương tự ở nhiều

loài có gen này.

- Tính bảo tồn gen tiền ung thư ở nhiều loài xa nhau chứng tỏ sản phẩm của chúng có

vai trò quan trọng, vì thế được chọn lọc tự nhiên giữ lại.

- Mặc dù chúng ta chưa hiểu hết về vai trò của sản phẩm các gen tiền ung thư trong tế

bào bình thường, nhưng hình như rõ ràng rằng chúng có liên quan trực tiếp đến quá

trình phân chia tế bào.

5. Sản phẩm gen tiền ung thư là chất điều hòa phân bào chính

- Phần giống nhau về cấu trúc và chức năng giữa các gen tiền ung thư đóng vai trò

trung tâm kiểm soát phân chia tế bào.

48

- Gen tiền ung thư chia thành 4 nhóm: 1/ các gen mã hóa sinh các yếu tố sinh trưởng

như c-sis hoặc chất thụ cảm yếu tố sinh trưởng như c-fms và c-erbB; 2/ các gen mã hóa

các protein bọc GTP có hoạt tính GTPase như c-H-ras, c-K-ras và N-ras; 3/các gen

protein kinase đặc thù tyrosine như c-abl, c-fes, c-fgr, c-fps, c-ros, c-src và c-yes hoặc

tạo nhưng protein kinase đặc thù serine/threonine như c-mil, c-mos và c-raf; 4/ các gen

mã chất điều hòa phiên mã như c-fos, c-fun, c-erbA, c-myc và có thể là c-myb và c-ets.

- Hầu hết sản phẩm của các gen tiền ung thư là các chất điều hòa sinh trưởng hoặc các

chất thụ cảm yếu tố sinh trưởng như các chất thụ cảm mã hóa bởi các gen c-erbB và c-

fms.

- Cấu trúc sơ khai của các chất thụ cảm yếu tố sinh trưởng có hoạt tính protein kinase

đặc thù tyrosine nội bào được trình bầy ở hình 17.5.

- Chức năng của các protein của gen tiền ung thư có liên quan đến quá trình truyền các

tín hiệu từ bề mặt tế bào vào trong nhân, chúng bọc lấy yếu tố sinh trưởng trên vị trí

bọc bề mặt ngoài tế bào và truyền tín hiệu thông qua kênh phân phối đến vị trí kinase

hóa tyrosine nội bào, làm hoạt hóa enzyme kinase và gây ra quá trình phosphoryl hóa

một số protein nội bào chính.

- Hoạt tính vị trí của enzyme kinase tyrosine có thể liên quan đến quá trình tự

phosphoryl hóa vì protein thụ cảm kinase này hình như phải trải qua quá trình tự

phosphoryl hóa lại những vị trí tyrosine đặc thù gần đầu COOH của protein nội bào.

- Chất thụ cảm yếu tố sinh trưởng phải trải qua quá trình phosphoryl hóa bởi enzyme

kinase của tế bào khác như protein kinase C và phải tương tác với các yếu tố protein

định hướng hoạt động khác. Quá trình truyền tín hiệu này còn phụ thuộc vào cấu hình

3 chiều của phân tử thụ cảm với tất cả các đại phân tử khác mà chúng tương tác.

- Protein c-src và sản phẩm của một số gen tiền ung thư cũng có hoạt tính protein

kinase đặc thù kinase. Tuy nhiên, các protein kinase này không phải là các protein

xuyên màng nhưng kết hợp được với bề mặt màng nguyên sinh chất. Các protein này

có liên quan đến truyền tín hiệu nhưng chưa rõ tín hiệu phản ứng và bằng cách nào tín

hiệu đó được truyền qua. Nhưng có lẽ phosphoryl hóa các protein đích nội bào là các

thức hoạt động chính của sản phẩm gen tiền ung thư.

49

6. Pjun và pfos là chất hoạt hóa phiên mã gen

- Sản phẩm của 2 gen tiền ung thư c-jun và c-fos giống với các protein được xác định

là thành phần phức hợp nhân hoạt hóa quá trình phiên mã các gen đặc thù.

- Sản phẩm gen c-jun là yếu tố phiên mã AP-1 là yếu tố nhân cần cho phiên mã được

kích hoạt bởi những hợp chất kích thích tạo u nhất định. Yếu tố phiên mã AP-1 (pjun)

bọc đặc thù vào yếu tố tăng cường trong genome virus 40 khỉ và gen IIA của vượn

người.

- Vị trí bọc DNA của AP-1 là trình tự lõi TGACTCA. Sản phẩm gen tiền ung thư c-

fos tạo nên một phức hợp chặt chẽ với sản phẩm của gen c-jun. Cả hai protein tiền ung

thư đều giầu leucine có khả năng hình thành nên các vùng xoắn α với các chuỗi mang

leucine đối diện hình thành nên khóa leucine (leucine zipper).

- Mô hình hoạt động phức hợp sản phẩm protein hai gen c-jun và c-fos trình bầy ở hình

17. 6 về hoạt tính điều khiển phiên mã từ xa các gen phản ứng bởi phức hợp hai gen c-

Jun và c-Fos.

7. Nguồn gốc đột biến gen ung thư tế bào ras

- Sự tồn tại gen ung thư trong tế bào ung thư có thể nhận diện bởi khả năng gây biến

nạp tế bào nuôi cấy thành trạng thái, ở nhiều dạng tế bào ung thư người bằng thí

nghiệm truyền nhiễm đều phát hiện ra gen ung thư.

- Khi gen ung thư từ tế bào ung thư người qua nhân dòng và được đặc tính thì thấy

chúng thường là dẫn xuất của gen tiền ung thư c-ras.

- Genome của tất cả các động vật xương sống đều chứa 3 gen tiền ung thư khác nhau

nhưng tương tự gen ras, hai trong số đó là c-H-ras và c-K-ras họ hàng rất gần với gen

ung thư v-ras lần lượt của chủng Harvey và Kirsten virus bướu thịt chuột. Gen thứ 3

N-ras, đến nay không phát hiện thấy tương đồng với bất kỳ genome ritroviral nào.

- Ba gen tiền ung thư ras đều mã hóa protein bọc GTP tương tự có hoạt tính GTPase.

Đáng tiếc, chức năng của các protein ras này vẫn chưa rõ.

- Cả 3 gen tiền ung thư đều trải qua đột biến thành các dẫn xuất các gen ung thư khác

nhau.

50

- Khi gen ung thư tế bào tồn tại trong khối u bàng quang được nhân dòng và xác định

trình tự, cho thấy chúng có nguồn gốc từ gen tiền ung thư c-H-ras. Đặc biệt, tính ung

thư gen đột biến EJ c-H-ras là do đột biến thay thế cặp bazo đơn gây nên khả năng

hoặc mất khả năng của 2 gen gây biến nạp tế bào NIH 3T3 đang nuôi cấy. Gen ung

thư được sinh từ gen tiền ung thư nhờ đột biến thay thế cặp nu GC thành TA, dẫn đến

thay glycine bằng valine ở amino acid thứ 12 tính từ đầu amin ở protein thường.

- Nhiều gen ung thư retroviral như EJ c-H-ras từ bướu bàng quang người không tổng

hợp lượng lớn protein không bình thường. Hiện tại vẫn chưa rõ tại sao sự thay đổi nhỏ

ấy trong gen tiền ung thư mà gen tế bào bình thường nên tạo ra gen ung thư có khả

năng biến nạp các tế bào thành trạng thái ung thư.

- Một số bệnh nhân ung thư chứa gen ung thư và gen tiền ung thư c-H-ras dị hợp tử.

Điều này chứng tỏ rằng gen ung thư gây nên hiện tượng thiên hướng chứ không ung

thư chứ không thay đổi qua trung gian mới đến ung thư.

- Sự đa dạng gen ung thư của 3 gen tiền ung thư c-ras đã được phát hiện và đặc tính

từ một số lượng lớn dòng tế bào các bộ phận ung thư khác nhau ở động vật có vú.

- Các đột biến alen ung thư ras là kết quả thay thế một trong 3 amino acid trong sản

phẩm gen ras gây nên.

- Tất cả các đột biến gen ras thành ung thư có liên quan từ 1 đến 3 codon thứ 12, 59 và

61 trình bầy ở bảng 17.2.

- Các đột biến này rất hay là không làm thay đổi khả năng bọc GTP của protein ras,

nhưng làm giảm hoặc làm mất hoạt tính GTPase.

- Những protein bọc GTP có hoạt tính GTPase gọi là protein G tương tác với adenylate

cyclase và làm thay đổi lượng cAMP trong tế bào, do đó biến đổi phản ứng trao đổi

chất tế bào.

- Protein G là protein màng bất hoạt trừ khi được kích hoạt khi tương tác với chất thụ

cảm hocmon đặc thù. Khi đó protein G bọc lấy GTP và định hướng hoạt tính

adenylate cyclase. Tuy nhiên, khi GTP bọc vào protein G bị thủy phân do hoạt tính

GTPase vốn có làm protein bất hoạt.

51

- Việc mất hoạt tính GTPase có thể khóa protein ras ở dạng hoạt hóa có thể kích cò

làm phân chia tế bào tiếp tục xẩy ra và hình thành khối u.

- Kết luận các sản phẩm gen của gen ras đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát

phân chia tế bào.

8. Chuyển vị điểm gẫy tại locus tiền ung thư

- Có mối tương quan giữa kiểu ung thư với những thay đổi đặc thù trong cấu trúc

nhiễm sắc thể, đặc biệt hiện tượng gẫy và chuyển vị nhiễm sắc thể đến nơi không

tương đồng, thiếu và mất đoạn liên quan đến nhiễm sắc thể đặc thù. Thường điểm gẫy

xẩy ra ở các điểm giống nhau của nhiễm săc thể đặc thù này ở kiểu ung thư nhất định.

Thí dụ như nhiễm sắc thể Philadelphia số 22 của người mất một đoạn lớn vai dài, 90%

người có nhiễm sắc thể kiểu này bị bệnh ung thư bạch cầu mạn hà lan (chronic

myelogenous leukemia).

- Hiện nay vị trí gẫy và chuyển vị nhiễm sắc thể của từng chiếc liên quan đến từng

loại bệnh ung thư đã được biết (hình 17.7). Điểm gẫy và sắp xếp lại nhiễm sắc thể gây

biểu hiện gen tiền ung thư hoặc các gen điều hòa quan trọng khác cạnh điểm gẫy bị

thay đổi.

- Nhiễm sắc thể Philadelphia được sinh ra do chuyển vị qua lại liên quan đến các đầu

của nhiễm sắc thể số 9 và 22 (hình 17.8). Điểm gẫy trên nhiễm sắc thể số 9 làm

chuyển vị xẩy ra rất gần gen tiền ung thư c-abl và sự trao đổi đã chuyển gen c-abl sang

nhiễm sắc thể 22. Một số bệnh nhân tạo ra phiên mã gen c-abl không bình thường, số

khác điểm gẫy xẩy ra xa hơn nhưng luôn phiên mã theo hướng 5’.

- Bệnh ung thư tế bào lymphocyte B sản xuất kháng thể, thường thấy ở một số vùng

châu phi, những người bị nhiễm bệnh virus Epstein-Barr. Chuyển vị xẩy ra ở tế bào B

của bệnh nhân Burkitt lymphoma liên quan đến nhiễm sắc thể số 8 và một trong 3

nhiễm sắc thể khác 2, 4 và 22 là nhiễm sắc thể mang gen sinh kháng thể, nhiễm sắc thể

14 mang các gen sinh kháng thể chuỗi nặng. Tế bào lymphoma B thường tiết kháng

thể , vì thế gen sinh kháng thể chuỗi nặng được biểu hiện ở tế bào ung thư này.

- Vị trí nhiễm sắc thể thường gẫy gây chuyển vị giữa nhiễm sắc thể 8 và 14 ở tế bào

ung thư lymphoma Burkitt tương ứng là băng q24 và q32 (hình 17.9).

52

- Gen tiền ung thư c-myc nằm ở băng q24 nhiễm sắc thể số 8, gen này được chuyển

đến cạnh các gen sinh chuỗi nặng nhiễm sắc thể 14 bằng chuyển đoạn. Gen tiền ung

thư c-myc thường biểu hiện bất bình thường khi đến vị trí mới đóng góp hình thành

nên tế bào ung thư lymphoma Burkitt.

9. Hoạt hóa gắn chèn gen tiền ung thư

- Có 2 loại virus biến nạp cấp tính như virus bướu khỉ mang gen ung thư v-src và virus

biến nạp chậm không mang gen ung thư và kích thích biến nạp tế bào thành trạng thái

ung thư sau thời gian ủ bệnh dài vài tháng.

- Virus biến nạp chậm thường gây ung thư bằng kết gắn provirus vào cạnh gen tiền

ung thư, vì thế đã hoạt hóa gen tiền ung thư thành trạng thái biểu hiện quá mạnh (hình

17.10). Đoạn lặp lại tận cùng dài DNA provirus (LTRs) của virus gây u RNA chứa

yếu tố tăng cường hay promoter rất mạnh. Việc nhập provirus vào có thể dẫn đến

phiên mã được tăng cường nằm gen lân cận.

- Bệnh u lymphoma tế bào B là một ví dụ liên quan đến hoạt động kích hoạt gen tiền

ung thư thường bởi virus leukosis chim (ALV). Genome virus này không chứa gen

ung thư, nhưng gây nhiều bệnh ung thư nặng cho gà nhiễm bệnh lymphoma. Provirus

đã kết gắn vào cạnh gen tiền ung thư c-myc đã hoạt hóa phiên mã gen này tăng lên từ

30 – 100 lần cao hơn tế bào bình thường.

- Hơn nữa phiên mã gen c-myc còn chứa cả trình tự ALV LTR đầu 5’, chứng tỏ phiên

mã bắt đầu từ đầu promoter của LTR provirus (hình 17.10). Bệnh này là kết quả kết

gắn ALV LTR chứa promoter/enhancer mạnh vào cạnh gen tiền ung thư c-myc.

- Nhiều gen tiền ung thư khác như c-myb và c-erbB và kết gắn xẩy ra vào cạnh gen và

cả intron của gen tiền ung thư, chứng tỏ yếu tố LTR của provirus chịu trách nhiệm làm

tăng cường phiên mã.

10. Khuyếch đại gen tiền ung thư trong tế bào ung thư

- Khuyếch đại gen sẽ làm tăng lượng sản phẩm gen, đôi khi sự khuyếch đại là thành

phần bình thường quá trình phát triển, như trường hợp khuyếch đại gen sinh rRNA

trong quá trình sinh trứng động vật.

53

- Khuyếch đại được kích hoạt xẩy ra nhờ chọn lọc tăng lên tính chống chịu sự ức chế

của enzyme cần thiết.

- Gen tiền ung thư đặc thù thường được khuyếch đại ở một số loại ung thư nhất định.

- Khuyếch đại và siêu biểu hiện sản phẩm gen tiền ung thư có thể liên quan mạnh đến

phát sinh ung thư vì sản phẩm của các gen này đóng vai trò điều khiển phân chia tế

bào.

- Thuốc methotrexate tác dụng ức chế enzyme khử dihydrofolate, xúc tác một khâu

cần thiết trong tổng hợp dTMP liên quan đến tổng hợp DNA. Methotrexate bọc lấy vị

trí hoạt động của enzyme khử dihydrofolate ngăn cản nó không bọc được chất bình

thường. Nếu chúng ta chọn những tế bào chống lại nồng độ methotrexate tăng dần thì

một số tế bào sẽ trở nên chống chịu bằng cách khuyếch đại gen mã hóa enzyme khử

dihy. Tế bào nào chống chịu sẽ có nhiều copy gen này và tổng hợp nhiều enzyme khử

dihydrofolate hơn tế bào bình thường.

- Phân tử DNA tồn tại trong nhiễm sắc thể DM dài biến động từ 50 kb đến vài trăm kb.

Phần DNA trên nhiễm sắc thể trải qua quá trình khuyếch đại được gọi là một

amplicon.

- Mô hình tổng quát quá trình khuyếch đại trình bầy ở hình 17.12 về mức tăng cao của

gen dihydrofolate reductase, phản ứng lại việc chọn lọc tính kháng thuốc methotrexate

loại động vật nguyên sinh Leishmania tropica. Tuy nhiên, đối với động thực vật bậc

cao thì cơ chế khuyếch đại ra sao vẫn chưa rõ.

- Khuyếch đại gen tiền ung thư tế bào có thế liên quan trực tiếp đến quá trình phát sinh

ung thư ở một số dạng ung thư nhất định. Như gen tiền ung thư c-myc được khuyếch

đại với tần suất rất cao ở u ung thư phổi tế bào nhỏ, nhưng có tần suất thấp ở dạng ung

thư khác.

- Alitalo và cộng sự phát hiện có nhiều copy gen c-myc ở HSR trên nhiễm sắc thể X

không bình thường trong các tế bào ác tính của bệnh nhân ung thư hậu môn (colon). Ở

bệnh nhân nay chứa cả nhiễm sắc thể DM mang gen c-myc khuyếch đại.

54

- Khuyếch đại gen tiền ung thư làm sản xuất quá nhiều sản phẩm gen tiền ung thư, sự

kiện khuyếch đại có thể không liên quan đến xuất phát ung thư, nhưng đóng góp vào

các bước tiếp theo trong đường hướng dẫn đến ung thư.

- Khuyếch đại liên tục (hồi quy) gen tiền ung thư sp’’cific trong loại tế bào ung thư đặc

biệt chúng tỏ rằng chúng có liên quan đến quá trình phát sinh ung thư.

11. Nguồn gốc gen ung thư virus

- Gen ung thư virus được tiến hóa từ những gen tiền ung thư tế bào bình thường, tính

tương đồng giữa chúng có thể là do provirrus đã kết gắn vào nhiễm sắc thể tế bào tạo

nên. Nhưng không có nghĩa là nó phải tiến hóa từ gen tiền ung thư tế bào mà có thể

tiến hóa từ gen tiền ung thư tổ tiên

- Sự khác nhau cơ bản giữa chúng là gen tiền ung thư tế bào chứa intron còn gen ung

thư virus thì không chứa intron, chỉ toàn chứa các exon.

- Trong một số trường hợp, nhiều retrovirus xâm nhiễm những loài họ hàng xa nhau đã

gặp phải các bản copy của gen tiền ung thư tương tự như virus ung thư simian khỉ và

virus ung thư mèo(feline) mang gen ung thư virus có nguồn gốc từ gen tiền ung thư c-

sis. Như vậy nhiều virus gần nhau chứa các gen ung thư có nguồn gốc từ các gen tiền

ung thư tế bào hoàn toàn không có liên quan nhau.

VII. Ung thư là kết quả cuối cùng của quá trình nhiều bước

- Trạng thái ung thư là sản phẩm hậu của quá trình nhiều bước. Dòng tế bào dùng

trong thí nghiệm truyền nhiễm có thể đang ở giai đoạn trung gian ung thư.

- Một số gen ung thư nhất định có thể có hiệu quả hợp tác trong quá trình kích thích

tạo thành ung thư.

- Gen ung thư khác nhau có thể có thể đóng vai trò tạo ra ung thư ở những loại tế bào

khác nhau.

- Nhiều sự kiện phân tử khác nhau có liên quan đến làm tăng khả năng phân chia tế

bào, làm tăng khả năng khối u xâm lấn các mô bên cạnh và tăng khả năng di căn. Về

vấn đề này đối với ung thư người vẫn còn cần phải được xác định.

55

- Công việc tiếp theo và các nghiên cứu trong tương lai về gen tiền ung thư và ung thư

sẽ hứa hẹn thu được thông tin quan trọng về chu trình phân tử điều khiển chu trình

phân chia tế bào ở sinh vật nhân chuẩn bậc cao như người.

VIII. Kết luận

- Chu kỳ tế bào trải qua: tái bản DNA, cô đặc nhiễm sắc thể, các giai đoạn phân tách

nhiễm sắc pha M xẩy ra một cách chính xác và tuần tự.

- Tế bào phải trải qua hai thời điểm quan trọng là: bắt đầu vào cuối giai đoạn G1,

quyết định việc tổng hợp DNA ở đầu pha S và hàng loạt các bước của pha M, cô đặc

và phân tách nhiễm sắc.

- Các protein G-cyclin được tổng hợp và tích lũy ở gian kỳ (interphase) và phân rã

trong pha M .

- Protein kinase ký hiệu pp34 là chất quan trọng điều khiển chu kỳ tế bào, pp34 hình

thành một phức hợp với cyclin có vai trò kích thích phân chia nguyên nhiễm. Protein

kinase pp34 có thể kiểm soát sự khởi đầu phân bào nhờ tương tác với G1-cyclin.

- Protein điều hòa pp34 giúp tế bào không phân chia hay phân chia được bằng cách

phosphoryl hóa hay không phosphoryl hóa tyrosine số 15.

- Ở nấm men đột biến thấy vị trí tyrosine 15 của pp34 được thay thế bằng

phenylalanine, không xẩy ra phosphoryl hóa làm chu kỳ tế bào xẩy ra bất bình thường.

- Điều khiển phân chia tế bào sinh vật đa bào đòi hỏi cơ chế điều hòa phức tạp hơn, vì

mỗi mô trong cơ quan và mỗi cơ quan trong một cơ thể phải sinh trưởng đến một kích

thước chính xác, vị trí chính xác, hài hòa với các tế bào, mô và cơ quan khác cơ thể.

- Mối liên lạc giữa các tế bào trong sinh vật đa bào đóng vai trò cức quan trọng trong

chu kỳ tế bào.

- Gen tiền ung thư mã hóa sinh ra các protein có chức năng theo nhiều cách liên lạc

giữa các tế bào khác nhau.

56

- Gen ung thư retroviral mã hóa các sản phẩm làm tế bào bình thường trải qua biến

đổi thành trạng thái ung thư. Các gen bình thường có trong nhiễm sắc của thể động

vật, tương đồng với các gen ung thư của virus retroviral được gọi là các gen tiền ung

thư.

- Các gen tiền ung thư có thể biến đổi thành gen ung thư do đột biến, do kết hợp với

trình tự điều hòa mới hoặc do hiện tượng khuyếch đại gen làm sản sinh quá nhiều sản

phẩm gen tiền ung thư.

- Gen tiền ung thư có thể phát hiện bằng cách lai với mẫu dò là các gen ung thư

retroviral, dẫn xuất ung thư gen tiền ung thư có thể được phát hiện bằng thí nghiệm

truyền nhiễm trên cơ sở khả năng làm các tế bào nuôi cấy tiến hành biến đổi thành

trạng thái ung thư vì mất sự ức chế do liên lạc giữa các tế bào, dẫn đến hình thành khối

u trong nuôi cấy in vitro mà không hình thành lớp tế bào bề mặt.

- Hiện đã phát hiện và nghiên cứu được trên 20 gen ung thư retroviral và tiền ung thư

tương ứng khác nhau ở động vật. Gen tiền ung thư được bảo tồn cao ở động vật bậc

cao, chứng tỏ sản phẩm của chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều loài sinh vật.

- Sản phẩm gen tiền ung thư là các yếu tố sinh trưởng, chất thụ cảm yếu tố sinh

trưởng, chất tiếp nhận hocmon hay các chất hoạt hóa phiên mã từ xa, là các protein

xuyên màng gắn GTP và có hoạt tính xúc tác gắn GTP (GTPase). Cuối cùng sản phẩm

gen tiền ung thư có thể là protein enzyme kinase giúp gắn gốc phosphat đặc thù vào vị

trí tyrosine hoặc serine/threonine, có tác dụng giúp truyền tín hiệu từ bề mặt màng vào

nhân và phiên mã tế bào.

- Ba thành viên họ gen tiền ung thư c-ras là c-K-ras, C-H-ras và N-ras phát hiện thể

đột biến thành các dạng alen gen ung thư tế bào trong nhiều bệnh ung thư người khác

nhau. Các alen khác nhau do thay thế cặp nu đơn khác nhau của một trong ba codon

12, 59 và 61 của mRNA, làm thay đổi amino acid tại vị trí nay gây nên. Dẫn đến làm

mất hoạt tính GTPase của protein c-ras làm protein này mất khả năng điều khiển bình

thường làm xuất hiện ung thư ở dạng đột biến c-ras này.

57

- Gen tiền ung thư chưa những trình tự mã hóa ngắt quãng gồm exon và intron như

các gen bình thường khác, trong khi gen ung thư chỉ chứa toàn exon. Gen ung thư

retroviral bắt nguồn từ các phiên mã gen tiền ung thư được thành thục.

- Dạng tế bào ung thư ác tính là sản phẩm cuối của một dẫy quá trình liên quan đến

việc kích thích một số bước nhất định. Nghiên cứu chức năng sản phẩm gen tiền ung

thư giúp đưa ra các thông tin bổ ích về chu kỳ điều khiển phân chia tế bào ở sinh vật

bậc cao.

58