UNG THƯ Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ
• Trong 1 công bố mới tháng 4-2014 của tổ chức y tế thế giới về tỉ lệ mắc bệnh ung thư, Việt Nam thuộc top 2 những quốc gia dẫn đầu về tỉ lệ mắc căn bệnh này. Mỗi năm có khoảng 70.000 người chết, 200.000 ngàn người mắc bệnh mới, đây là 1 con số đáng báo động và nó trở thành một nỗi ám ảnh đe dọa cuộc sống con người. Vậy đâu là nguyên nhân của việc hình thành bệnh ung thư? Cơ chế phân tử của việc hình thành tế bào ung thư ra sao? Hôm nay nhóm e sẽ trình bày
3
Nội dung thuyết trình:
1. Proto-oncogen
2. Tumor supressor gen (TSG)
• Cơ thể chúng ta trông có vẻ như một hệ thống ổn định nhưng thật ra nó có sự thay đổi liên tục. Các tế bào trong hầu hết các cơ quan của chúng ta thay đổi mới liên tục, tế bào già cỗi sẽ chết đi và thay thế bằng tế bào mới.
• Trung bình thì một người bình thường có khoảng 30 ngàn tỉ (30.000.000.000.000) tế bào. Mỗi ngày cơ thể sản xuất và đào thải khoảng 60 tỉ (60.000.000.000) tế bào. Với số lượng rất lớn các tế bào được thay đổi trong cơ thể như vậy thì nguy cơ xảy ra ung thư là điều rất dễ hiểu. Mỗi khi tế bào phân chia đều có khả năng có sai sót và các sai sót này có thể dẫn đến ung thư.
• Khi những sai sót xảy ra trong một gene nào đó, có thể làm thay đổi sự biểu hiện của nó (đột biến), dẫn đến ảnh hưởng đến các hoạt động bình thường của tế bào. Các đột biến có thể là nguyên nhân của ung thư khi nó ảnh hưởng đến các gene kiểm soát sự phân chia tế bào. Các gene này có thể nhóm thành 2 loại: các gene proto-oncogenes và các gene ức chế ung thư (tumor suppressor genes)
4
1. Proto-oncogen
- Proto-oncogen là các gen bình thường có mặt trong tế bào có chức năng điều hòa đường dẫn truyền tín hiệu tế bào để tế bào nhận các kích thích cho sự phân bào và chết theo chương trình.
- Khi có đột biến, Proto-oncogen chuyển thành oncogen
• Proto-oncogen là các gen bình thường có mặt trong tế bào có chức năng điều hòa đường dẫn truyền tín hiệu tế bào để tế bào nhận các kích thích cho sự phân bào và chết theo chương trình.
• Cơ chế chung của quá trình tăng trưởng và điều hòa của tế bào:
• Các yếu tố tăng trưởng có bản chất là polypeptide đóng vai trò cá tín hiệu ngoại bào, truyền tín hiệu từ tế bào này sang tế bào khác, tác động lên các receptor đặc hiệu trên bề mặt tế bào.
• Yếu tố tăng trưởng sau khi gắn vào receptor trên bề mặt tế bào sẽ hoạt hóa chúng, khởi động các phân tử có nhiệm vụ truyền tín hiệu đến nhân tế bào. Các enzyme này làm thay đổi hoạt tính của các protein đích bằng cách phosphoryl hóa.
• Các protein đặc hiệu sau khi được phosphory hóa trong quá trinnhf trên sẽ tương tác với các yếu tố phiên mã của nhân, điều hòa hoạt động của các gen đặc hiệu chi phối sự phân chi pối sự phân chia, tăng trưởng hay biệt hóa tế bào.
• - Khi có đọt biến thì proto-oncogen trở thành oncogen. Các đột biến có thể xảy ra ở bất kỳ các bước nào liên quan đến quá trình điều hoà sự tăng trưởng và biệt hóa. thì oncogen này biểu hiện protein một cách quá mức, và có thể tạo ra các protein cực kỳ linh động, chúng tăng cường hoạt động tín hiệu nội bào, thay đổi tín hiệu điều hòa gen, và kháng sự suy thoái. Tế bào mang đột biến sẽ mất đáp ứng với tín hiệu biệt hóa và cứ tiếp tục phân chia thay vì đi vào chương trình biệt hóa bình thường với hậu quả là hình thành nên khối u.
5
1. Proto-oncogen
Năm 1911: Peyton Rous phát hiện ra virus có khả năng gây ung thư ở gia cầm (RSV)
Các tác nhân vật lí và hóa học có khả năng gây đột biến tế bào, biến gen của tế bào bình thường thành oncogen
• Lịch sử phát hiện ra oncogen:
• Năm 1911: Peyton Rous phát hiện ra virus có khả năng gây ung thư ở gia cầm (RSV). Rous nhận giải Nobel về vật lý và Y Dược trong 1966.
• Virus oncogene là những gen trong virus mà có thể là nguyên nhân gây khối u in vivo và lây nhiễm sang tế bào khác in vitro
• - Các tác nhân vật lí và hóa học có khả năng gây đột biến tế bào, biến gen của tế bào bình thường thành oncogen
6
• Tới năm 1972, người ta tiến hành thí nghiệm nuôi dòng tế bào 3T3 (nguyên bào sợi da chuột), 1 nhóm bình thường, 1 nhóm tiêm hóa chất (3 methychlothanren, người ta thấy nhóm tiêm hóa chất bị ung thư. Sau đó, các nhà khoa học đem giải trình tự thì phát hiện ra đột biến của gen.
7
• Đây là hình minh họa cho 03 con đường cơ bản để hoạt hóa 1 gen ung thư đó là: sắp xếp lại NST thông qua chuyển vị, khuếch đại quá mức 1 gen và đột biến gen. Ngoài ra còn có yếu tố do virus…
8
Đột biến điểm
• Các đột biến điểm là do sự trao đổi giữa các base của DNA, chúng được phân loại như các quá trình chuyển đổi:
• đột biến câm (silent mutation) thay đổi 1 codon thành codon mới mã hóa cho cùng 1 aa
• Đột biến vô nghĩa (nonsense mutation) codon mã hóa cho 1 aa bị thay đổi thành codon kết thúc
• đột biến sai nghĩa( missense mutation) thay đổi aa và các trình tự. Hệ quả của sự biến đổi này là protein có thể tăng giảm hay giữ nguyên hoạt tính.
• Điều quan trọng là các đột biến điểm và nguyên tắc có thể được hoạt hóa hoặc bất hoạt. Tuy nhiên, phạm vi các đột biến dẫn đến tăng hoạt tính của 1 gen thường hẹp hơn nhiều so với làm giảm hoạt tính của nó. VD như đột biến làm hoạt hóa gen ung thư ras
9
1 số đột biến điểm thường gặp trong ung thư
1 số đột biến điểm thường gặp trong ung thư: PTEN, APC, MGMT, RAS,…
Hôm nay e xin trình bày về đột biến gen ras
10
Đột biến ở gen ras
• Ras tham gia chủ yếu vào việc phân chia tế bào, thông qua quá trình truyền tín hiệu, protein truyền tín hiệu từ ngoài tế bào vào đến nhân tế bào. Các tín hiệu này kích hoạt tế bào để phát triển và phân chia.
• Các protein Ras là 1 GTPase. GTPase là 1 enzyme có chức năng chuyển đổi 1 phân tử gọi là GTP đến 1 phân tử gọi là GDP. Các protein Ras hoạt động như 1 chuyển đổi, nó có thể kích hoạt hoặc bất hoạt.
• Để truyền tín hiệu, các protein ras phải được kích hoạt bằng cách gắn vào 1 ptử của GTP.
• Bất họa khi nó chuyển đổi các GTP tới GDP, khi protein kết hợp với GDP nó không truyền tín hiệu đến nhân tế bào
• Dưới tác độngcủa yếu tố môi trường (bức xạ, hóa chất,...) sự đột biến có thể xảy ra. Khi đột biến, gen Ras có tiềm năng chuyển tế bào bình thường thành tế bào ung thư. Đột biến gen Kras làm thay đổi 1 protein cụ thể ở đây là vị trí nhiễm sắc thể 12 của gen Kras bị đột biến chuyển Gly thành Val.gây ra các protein để tiếp tục hoạt động.
• protein vẫn luôn ở trong dạng gắn kết GTP, liên tục kích hoạt chuỗi MAP kinase, dẫn đến sự gia tăng liên tuc phá vỡ sự phát triển bình thường và trở thành các mô nhất định--> gây ung thư
11
Chuyển vị NST
NST chuyển vị ở bệnh lymphomas Brukitt
• Những biến đổi trong cấu trúc or biểu hiện các gen đặc biệt cũng có thể do chuyển vị NST. Chuyển vị có thể làm tách các yếu tố điều hòa ức chế khỏi vùng mã hóa gen or đặt nó dưới ảnh hưởng của các yếu tố điều hòa hoạt hóa từ 1 gen sẽ làm biểu hiện quá mức or làm mất điều hòa của gen. VD về cơ chế này là sự kích hoạt gen myc trong u lympho burkitt
• Ở bệnh nhân mắc bệnh lyphoma Burkitt (đây là một dạng của ung thư hạch bạch huyết, bắt nguồn từ tế bào miễn dịch lympho B bị đột biến, nguyên nhân gây ra bệnh này chủ yếu là do Epstein-Barr virus gây ra).
• Hình A là NST số 8 và 14 của người bị lymphoma Burkitt bị chuyển vị, gen myc của chúng ta bình thường nằm yên ổn ở NST số 8. Các bạn quan sát NST số 14 có vùng màu xanh lá mạ được mô tả là vùng chứa trình tự kiểm soát sự tăng cường phiên mã để biểu hiện chuỗi nặng của kháng thể (vùng màu xám là gen mã hóa cho chuỗi nặng của kháng thể IgH). Nhìn sang hình B để thấy rõ ràng sự chuyển vị tương hỗ xảy ra, một đoạn DNA chứa gen myc ở NST số 8 được bứng sang NST số 14 (nơi có trình tự tăng cường phiên mã). Sự dịch chuyển làm chồng 2 DNA vào nhau và gen myc được phiên mã một cách ồ ạt. Và thế là tế bào B nhận được điều kiện thuận lợi cho chúng tăng sinh dữ dội dẫn đến phì đại các hạch và di căn làm cho nạn chân nhanh chóng tử vọng.
12
NST chuyển vị ở bệnh Philadelphia
· Nhiễm sắc thể Philadelphia, đặc hiệu của bệnh bạch cầu loại tuỷ mạn tính và phân nhóm của bệnh bạch cầu nguyên bào lympho cung cấp ví dụ về prototip của một gen u được hình thành do sự hợp nhất hai gen riêng biệt. Trong những trường hợp này chuyển đoạn lẫn nhau giữa nhiễm sắc thể 9 và nhiễm sắc thể 22 định vị lại đoạn cắt ngắn c-abl (từ nhiễm sắc thể 9) sang gen bcr trên nhiễm sắc thể 22.
· Sự chuyển vị 2 NST 9 và 22 tạo nên gen liên hợp BCR-ABL,sản phẩm của gen là 1 protein liên hợp vẫn duy trì hoạt tính protein kinase nhưng mất điều hòa và không định vị ở bào tương.
· Protein BCR- ABL hoạt hóa 1 số con đường truyền tín hiệu thúc đẩy tăng sinh tế bào, ngăn chặn sự trưởng thành gây nên việc giải phóng các tế bào chưa trưởng thành vào máu
13
• Sự hiện diện với số lượng bản sao lớn những oncogen: gen myc, gen rbB,… trong tế bào ung thư à sự tăng sản phẩm phiên mã à tăng sinh mất kiểm soát.
• Gen myc liên quan đến sự tăng sinh tế bào, ngừng chu trình tế bào, apoptosis,…
• Khi myc bị đột biến thành gen sinh ung sẽ gia tăng biểu hiện và kích thích tế bào phân chia. Đột biến này hay gặp ở các ung thư trẻ em như bướu nguyên bào thần kinh.
14
• Gen myc liên quan đến sự tăng sinh tế bào, ngừng chu trình tế bào, apoptosis,…
• Khi myc bị đột biến thành gen sinh ung sẽ gia tăng biểu hiện và kích thích tế bào phân chia. Đột biến này hay gặp ở các ung thư trẻ em như bướu nguyên bào thần kinh.
15
• Ngoài oncogene, còn có một nhóm gen quan trọng khác cũng liên quan đến ung thư: TSG.
• Oncogene: đột biến làm tăng chức năng, TSG: đột biến làm mất chức năng à tế bào tăng sinh không kiểm soát à khối u à ung thư.
• Các proto-oncogene thường là các gene có vai trò gửi tín hiệu cho tế bào phân chia, có thể hình dung các gene này như tay ga/chân ga trong xe; các gene ức chế khối u (tumor suppressor genes) là các gene gửi tín hiệu ra lệnh tế bào dừng sự phân chia, có thể xem chúng như cái thắng trong xe à khi đột biến những gene này, tế bào phân chia không ngừng, giống như bị kẹt chân ga hoặc hư cái thắng trong xe, không thể nào dừng xe lại được.
16
• TSG kiểm soát chu trình tế bào và tăng apoptosis. Nếu đột biến làm mất hoặc bất hoạt chức năng của các gen thuộc TSG à tế bào tăng sinh mất kiểm soát à ung thư.
• Các nhà khoa học phát hiện ra hơn 40 TSG, chia thành 5 nhóm TSG chính và 6 cách đột biến chính tạo nên hiện tượng LOH (Loss of Heterozygosity)
17
18
• Rb nằm ở locus 14 của cánh dài NST 13. Protein Rb: điều hòa chu trình tế bào đóng vai trò “phanh chính” bằng cách gắn lên E2F à ngừng phiên mã, không gắn lên E2F à cho phép phiên mã. Đột biến mất chức năng Rb à tế bào phân chia không kiểm soát à ung thư.
19
• Giả thuyết của Knudson được hình thành dựa trên 48 trường hợp bệnh ung thư nguyên bào võng mạc do đột biến trên gen Rb1.
• Năm 1971, Knudson đề xuất giả thuyết two-hit dựa trên sự quan sát rằng ung thư nguyên bào võng mạc di truyền phát triển sớm hơn nhiều so với ung thư nguyên bào võng mạc ngẫu nhiên.
• Theo giả thuyết của Knudson, ung thư nguyên bào võng mạc là do hai đột biến - two hit. Trong trường hợp u nguyên bào võng mạc di truyền, một đột biến (thay đổi thông tin di truyền) sẽ có trong dòng tế bào mầm và truyền cho các thế hệ sau (một gen bất thường sẽ được truyền từ bố hoặc mẹ, gen còn lại bình thường nhận từ người còn lại), khiến người mang gen đột biến này nhạy cảm với sự phát triển của ung thư này hơn.
• Trong trường hợp ung thư nguyên bào võng mạc không do di truyền thì cả hai đột biến đều xảy ra ở mức độ somatic (đột biến soma).
• Không lâu sau đó, người ta đã báo cáo rằng mô hình này có thể được mở rộng tới khối u của Wilms (khối u thận ở trẻ em), khối u thần kinh trẻ sơ sinh (khối u phôi hệ thần kinh), pheochromocytoma (khối u của tuyến thượng thận) và nói chung, tất cả các bệnh ung thư di truyền. Lý thuyết này đã được giữ cho đến ngày nay và mặc dù có trường hợp ngoại lệ, nhưng hầu hết các ung thư di truyền chủ yếu đều theo mô hình này.
20
• Trong quá trình này, một tế bào dị hợp tử nhận thêm một đột biến thứ 2 dẫn đến sự đột biến trên cả hai bản sao của TSG, tạo thành gene đồng hợp tử đột biến
• Đột biến làm bất hoạt các TSG gọi là đột biến mất chức năng.
• Các đột biến này thường là: đột biến điểm, đột biến mất đoạn nhỏ, đột biến mất NST hoặc mất TSG, tái tổ hợp soma (bản sao gene bình thường được thay thế bằng một bản sao đột biến)
21
• NST của cặp tương đồng nhân đôi bình thường nhưng quá trình phân chia diễn ra không chính xác, một tế bào con có 3 NST của cặp tương đồng, tế bào còn lại chỉ chứa 1 NST.
• Sự không phân chia của các nhiễm sắc tử chị em trong cặp tương đồng. Trong hình này, các nhiễm sắc tử chị em (màu xanh lá cây) được đi vào cùng một tế bào con và nếu sau đó loại bỏ được nhiễm sắc tử chứa allele không đột biến (màu đỏ thì tế bào con này sẽ trở thành đồng hợp tử với locus đột biến.
22
• Sự tái tổ hợp phân bào
• Sự tái tổ hợp giữa 2 NST tương đồng và sự phân chia ngẫu nhiên sẽ dẫn tới một tế bào có cả 2 đột biến mất chức năng
• Sự tái tổ hợp phân bào có thể dẫn đến sự trao đổi chéo à trao đổi thông tin di truyền. Hai nhiễm sắc thể tương đồng nhân đôi hình thành các cặp NST chị em.Trong quá trình phân bào diễn ra sự trao đổi chéo của mỗi cromatit chị em trong cặp NST tương đồng, dẫn đến sự thay đổi tế bào con. Các tế bào con ở bên phải cuối cùng mang cả hai bản sao có chứa allele bị đột biến, thể hiện trong màu xanh lam, do đó mất chức năng của gen.
23
• Hình minh hoạ cho cơ chế nhờ vào việc DNA polymerase chuyển đổi sự lựa chọn sợi khuôn bằng cách cách tạm thời chuyển sang nhiễm sắc thể tương đồng (màu xanh). Phân đoạn màu đỏ chưa được đọc bằng DNA polymerase sẽ không được hiển thị trong sợi mới được tổng hợp.
24
• P53 là một gen ức chế khối u nằm trên cánh ngắn NST 17. Thông qua sản phẩm protein của nó, p53 đóng vai trò quan trọng trong điều hòa phiên mã, tác động đến các gen kiểm soát quá trình đi vào pha S trong chu kỳ tế bào. Đột biến gen p53 hoặc bất hoạt chức năng các gen p53 phổ biến ở nhiều ung thư của người.
• P53 có vai trò trung tâm trong ức chế khối u – điều chỉnh đáp ứng với ADN bị tổn thương. Nếu thiếu p53 à khi bị tổn thương: tb không ngừng hoạt động hay bị chết do mất chức năng điều hòa của phân tử p53. Sau tổn thương, tế bào thiếu p53: có đột biến ở oncogene hoặc các TSG à tế bào phát triển không ngừng à khối u.
25
• DNA bị sai hỏng à p53 được phosphoryl hóa thì hoạt hóa gen p21 phiên mã à ngừng chu kỳ tế bào để sửa chữa DNA/nếu sai hỏng không thể sửa chữa à apoptosis.
26
• Sự tăng trưởng của mỗi động vật có vú đều trải qua một quá trình theo tường bước gọi là chu kỳ. Chu kỳ tăng trưởng và phân chia của động vật có vú được chia thành bốn pha: G1, S (trong đó DNA được nhân bản), G2 và M (phân bào). Một pha thứ năm, G0 (G zero), biểu thị trạng thái nghỉ ngơi, không tăng sinh của các tế bào đã rút khỏi chu kỳ tế bào.
• Để đảm bảo rằng một tế bào đã hoàn thành đúng các bước cần thiết của một pha trong chu kỳ tế bào trước khi nó được phép tiến vào pha tiếp theo thì tế bào có các trạm kiểm soát – checkpoint. Ví dụ như một tế bào sẽ không được phép vào pha S cho đến khi tất cả các bước của G1 đã được hoàn thành. Nó sẽ bị chặn không cho đi vào G2 cho đến khi tất cả các nhiễm sắc thể đã được sao chép đúng cách. Tương tự như vậy, một tế bào không được phép xâm nhập vào anaphase (khi cặp chromatic được tách ra) cho đến khi tất cả các nhiễm sắc thể được lắp ráp đúng trên trục chính trong suốt quá trình metaphase. Ngoài ra, một tế bào không được phép tiến vào S hoặc M nếu DNA của nó đã bị hư hỏng và chưa được sửa chữa. Các điểm kiểm soát khác (không được hiển thị) đảm bảo rằng một khi một bước cụ thể trong chu trình tế bào đã hoàn thành, nó sẽ không lặp lại cho đến chu kỳ tế bào tiếp theo.
27
• Trong hầu hết pha G1 của chu kỳ tế bào, chủ yếu là hoạt động của CDK4 và CDK6 liên quan với loại cyclin D (D1, D2 và D3). Sau điểm R vào cuối G1, các cyclin loại E (E1 và E2) kết hợp với CDK2 để cho phép sự phosphoryl hóa các chất nền thích hợp cần thiết để vào giai đoạn S. Khi các tế bào đi vào giai đoạn S, các cyclin loại A (A1 và A2) sẽ thay thế các cyclin loại E làm đối tác của CDK2 và do đó cho phép pha S tiến hành. Sau đó trong pha S, các cyclin loại A không liên kết với CDK2 mà thay vào đó là liên kết với một CDK khác gọi là CDC2 hoặc CDK1. Khi tế bào di chuyển vào pha G2, các cyclin loại B (B1 và B2) liên kết với CDC2. Cuối cùng, khi bắt đầu pha M, các phức hợp của CDC2 với các cyclin loại B kích hoạt nhiều sự kiện của kì đầu, kì giữa, kì sau và kì cuối của sự phân bào.
• Tuy nhiên, để điều khiển chu kỳ tế bào hoạt động một cách chính xác, tế bào có một nhóm protein có khả năng ức chế hoạt động của các phức hợp cyclin-CDK, các protein này được gọi là các chất ức chế CDK (CIK). Cho đến nay, đã tìm thấy được 7 loại protein CIK có thể ức chế hoạt động của cyclin-CDK. Bốn trong số này là các protein INK4 (tên ban đầu là chất ức chế của CDK4), nhắm mục tiêu cụ thể các phức hợp cyclin với CDK4 và CDK6; chúng không ảnh hưởng đến CDC2 và CDK2. Những chất ức chế này là p16INK4A, p15INK4B, p18INK4C và p19INK4D. Ba chất ức chế CDK còn lại, p21Cip1 (đôi khi được gọi là p21Waf1), p27Kip1 và p57Kip2, hoạt động rộng rãi hơn, có thể ức chế tất cả các phức hợp cyclin-CDK khác hình thành ở các pha sau của chu kỳ tế bào. p57Kip2 đóng một vai trò quan trọng trong một số mô trong quá trình phát triển phôi thai nhưng vai trò thứ yếu trong phát triển ung thư.
• Trong bài thuyết trình này, chúng em chọn p16 và p21 làm hai đại diện để nói về cơ chế làm việc và vai trò của chúng trong ung thư.
28
• P16 là thành viên chính của họ INK4- chất ức chế CDK, gồm 148aa, nặng 42kDa. Được mã hóa bởi gene CDKN2A, gene này nằm trên NST 9p21 trong locus INK4a/ARF, loccus này mã hóa cho hai protein khác nhau với hai promoter khác nhau: p16INK4a và p19ARF. Cả hai protein này đều có hoạt tính sinh học chống lại sự tăng sinh và tham gia vào con đường của Rb (p16) và p53 (p19)
• Thông thường, các tế bào không biểu hiện p16 và chu kỳ tế bào được điều khiển bởi cyclin D1, sự biểu hiện của chúng được điều chỉnh bởi sự sẵn có nhân tố phân bào. Cyclin D1 tạo thành các phức hợp với CDK4/CDK6 và kích hoạt chúng, điều này sẽ phosphoryl hóa và khử hoạt tính của protein Rb, cho phép sự giải phóng của yếu tố E2F, E2F là các gen mà các sản phẩm nó cần thiết để cho phép quá trình chuyển đổi G1/S và bắt đầu sao chép nhiễm sắc thể.
• Khi trong tế bào có tín hiệu sai hỏng, p16 được biểu hiện và liên kết với CDK4/6, ức chế sự hình thành phức hợp cyclin D-CDK4/6. Sự biểu hiện của p16 duy trì Rb ở trạng thái giảm phosphoryl hóa, thúc đẩy sự gắn kết với E2F và dẫn đến việc ngừng chu trình tế bào ở G1.
29
• P21 là một protein gồm 164aa, nặng 18kDa, nằm trên NST6 ở 6p21, được mã hóa bởi gene CDKN1A.
• Trên protein p21 có các domain cyclin, CDK để liên kết với phức hợp cyclin-CDK và bất hoạt phức họp này khi cần thiết. Ngoài ra trên protein p21 còn có một domain để liên kết với PCNA (kháng nguyên hạt nhân tăng sinh tế bào) - một thành phần quan trọng của bộ máy sao chép DNA của tế bào, điều này đảm bảo rằng sự tổng hợp DNA đã bắt đầu được dừng lại cho đến khi DNA được sửa chữa.
• p21 là chất ức chế CDK hoạt động rộng rãi được cảm ứng bởi TGF-β, mặc dù yếu. Điều quan trọng hơn nhiều là nồng độ p21 tăng khi đáp ứng với các stress về sinh lý khác nhau; nồng độ p21 hiện diện đáng kể có thể hoạt động trong suốt chu kỳ tế bào để dừng quá trình phân chia của một tế bào. Nổi bật trong số những căng thẳng này là thiệt hại cho bộ gen của tế bào. Chừng nào DNA còn ở trạng thái không được sửa chữa, p21 đã được cảm ứng sẽ ngưng hoạt động của các phức hợp cyclin-CDK như E-CDK2, A-CDK2, A-CDC2 và B-CDC2 mà đã được hình thành; một khi sai hỏng này được sửa chữa, thì p21 có thể được giải phóng. Chiến lược như vậy có ý nghĩa đặc biệt trong pha G1: nếu bộ gen của tế bào bị sai hỏng trong giai đoạn này thông qua hoạt động của các chất gây đột biến khác nhau, p21 sẽ chặn trước thông qua điểm R (bằng cách ức chế phức hợp E-CDK2) cho đến khi sai hỏng đã được sửa chữa, đảm bảo rằng tế bào không tiến vào pha S và vô tình sao chép chuỗi DNA vẫn còn bị hư hỏng.
• Hoạt động của p21 có liên quan đến p53. Ví dụ, nếu ADN nhiễm sắc thể của một tế bào bị sai hỏng một phần trong pha G1 của chu kỳ tế bào, p53 sẽ trở nên hoạt hóa. p53 sau đó sẽ cảm ứng sự tổng hợp p21 và p21 đến lượt nó, sẽ ngăn chặn sự tăng sinh tế bào hơn nữa.
30
• NF-kB là một họ protein gồm 5 yếu tố phiên mã: RelA (p65), RelB, c-Rel, p50/p105 (NF-κB1) và p52/ p100 (NF-κB2) được đặc trưng bởi 300aa, có thể cảm ứng hoặc kìm hãm sự biểu hiện gen bằng cách liên kết với các trình tự ADN đặc hiệu trong vùng promoter của các gen mục tiêu; các trình tự này được gọi là yếu tố κB. Các protein NF-κB có có thể hình thành các phức hợp chứa 1, 2 hoặc nhiều protein này gọi là homo- hoặc hetero-dimers
• Gen Rel/NF-κB nằm trên các NST khác nhau: 11q12, 11q19, 2p13-p12, 4q23 và 10q24 tương ứng với RelA, RelB, c-Rel, NF-κB1 và NF-κB2
• Sơ đồ mô tả của các protein họ Rel/NF-κB liên quan đến con đường NF-κB.
Các Protein này gồm domain RHD ở đầu N gồm 300aa với các domain dime hóa và NLS. p100 và p105 có một vùng bản lề giàu glycine (GGG) giữa RHD và đầu C tận cùng. p65 (RelA), RelB, c-Rel tất cả đều chứa các domain transactivation (TA) cũng như RHD.
• NF-κB được duy trì trong tế bào chất bởi các protein Inhibitory-kappaB (IκB). Chỉ khi NF-κB được giải phóng, nó mới dịch chuyển đến nhân và gắn vào các trình tự κB đặc hiệu trong các phản ứng điều hòa các gen mục tiêu
31
• NF-kB đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa miễn dịch, đáp ứng stress, apoptosis và sự biệt hóa. Sự giảm điều hoà hoạt động NK-kB bình thường, như sự biểu hiện của một dạng không bình thường của protein hoặc sự can thiệp của hoạt động phiên mã từ gen bình thường, đã được chứng minh là có liên quan đến sự phát triển của bệnh bạch cầu, u lymphô và các khối u rắn.
• Các thành viên trong họ NF-κB cũng ảnh hưởng đến việc phát triển khối u thông qua sự kích hoạt gen kháng apoptosis; điều này tạo ra sức đề kháng với xạ trị và hóa trị.
• NF-κB tồn tại tự do trong tế bào chất, tại đây nó bị ức chế bởi protein IκB. Sự kích hoạt của NF-κB được dựa trên việc cảm ứng IκB bởi IκB kinase (IKK). IKK là một phức hợp protein bao gồm các tiểu đơn vị xúc tác: IKKα, IKKβ và một tiểu đơn vị điều hòa có tên NF-κB essential modulator (NEMO) hoặc IKKγ.
• Hoạt động phiên mã của NF-κB được điều chỉnh bởi hai con đường, được gọi là con đường kinh điển và không kinh điển.
Con đường kinh điển đòi hỏi phải được kích hoạt bởi dimer RelA/p50 và sự kích hoạt bị thiếu nếu các dimer có liên quan bị cô lập trong tế bào chất nhờ các protein IκB. Sau khi kích thích các dạng khác nhau, bao gồm các trung gian của các cytokine, các yếu tố tăng trưởng, các protein virus hoặc vi khuẩn, hoặc stress oxy hoá, các protein IκB được phosphoryl hoá trên các acid amin serine đặc hiệu bằng phức hợp IKKα/IKKβ dẫn đến sự phân rã của IκB phụ thuộc ubiquitin bởi proteasome 26S. Các dimer RelA/p50 do đó tự do di chuyển đến nhân và gắn với các yếu tố κB, được tìm thấy trong promoters và enhancers của các gen mục tiêu.
Con đường không kinh điển, được kích hoạt bởi một số thành viên nhất định trong họ của cytokine TNF và kết quả là sự kích hoạt có chọn lọc các dimer RelB/p52. Con đường không kinh điển gây ra sự kích hoạt IKKα bởi kinase cảm ứng bởi NF-kB (NIK), sau đó là sự phosphoryl hóa của tiểu đơn vị NF-κB p100 bởi IKKα. Điều này dẫn đến sự hình thành p52 từ p100 thông qua quá trình phụ thuộc proteasome, kích hoạt sự hoạt hóa của heterodimers RelB/p52 nhắm mục tiêu các yếu tố κB
32
• BRCA1 và BRCA2 là những gen tạo ra các protein ức chế khối u. Các protein này giúp sửa chữa DNA bị hư hỏng và điều hòa quá trình phiên mã để đáp ứng với những sai hỏng của DNA, do đó đóng một vai trò trong việc đảm bảo sự ổn định của vật liệu di truyền của tế bào. Khi một trong hai gen này bị đột biến hoặc thay đổi, dẫn đến những DNA bị hư hỏng có thể không được sửa chữa. Kết quả là, các tế bào có nhiều khả năng phát triển các thay đổi di truyền bổ sung có thể dẫn đến ung thư.
• Đặc điểm của các protein BRCA. BRCA1 chứa domain RING ở đầu N tận cùng, tín hiệu định vị hạt nhân (NLS) và hai domain BRCT tại đầu C tận cùng. Các protein tương tác được hiển thị dưới các vùng liên kết (thanh màu xanh lá cây). Các vùng được phosphoryl hóa bởi CHK2 hoặc ATM (mũi tên màu đỏ). BRCA2 chứa 8 lần lặp lại BRC. Rad51 trực tiếp liên kết với 6 trong 8 BRC.
33
• Bằng chứng ban đầu cho thấy vai trò của BRCA1 trong việc sửa chữa DNA bị hư hỏng đã được bắt nguồn từ sự quan sát rằng BRCA1 bị phosphophyl hóa trong phản ứng với sự hư hại của DNA và di chuyển đến các vị trí của các chĩa sao chép được đánh dấu bởi kháng nguyên hạt nhân tăng sinh tế bào (PCNA)
• BRCA1 và BRCA2 tham gia vào trong các phức hợp kích hoạt sự sửa chữa các đứt gãy DNA sợi đôi (DSBs) và khởi đầu sự tái tổ hợp tương đồng (HR), điều này liên quan đến việc duy trì tính toàn vẹn của gen để ức chế khối u. BRCA1 và BRCA2 đồng thời kiên kết với Rad51 để tạo phức hợp.
• Phức hợp gồm BRCA1, BRCA2, BARD1 và Rad51 có chức năng sửa chữa DNA bị hư hỏng. Sự hình thành phức hợp được thực hiện bởi sự phosphoryl hoá BRCA1 bởi ATM kinase. Để đáp ứng với sự hư hỏng DNA, phức hợp di chuyển đến các vùng DNA sợi đôi được đánh dấu bởi kháng nguyên hạt nhân tăng sinh tế bào (PCNA).
Khi chức năng BRCA1 và/hoặc BRCA2 bị mất dẫn đến không có khả năng để sửa chữa DNA bị hư hỏng. Khi sự hư hại xảy ra đối với các điểm kiểm soát quan trọng, chẳng hạn như p53, các điểm kiểm tra như p21 không thể được kích hoạt và các tế bào tăng sinh.
34
• Gene APC nằm trên NST 5q21
• APC được biểu hiện chủ yếu trong biểu mô đại trực tràng bình thường. Sản phẩm của gen APC là một protein 310 kDa nằm trong cả tế bào chất và hạt nhân. Gần đây, người ta đã chỉ ra rằng gen APC có thể bị kích thích, được p53 điều chỉnh tăng sao chép theo đáp ứng với sự phá hủy DNA. p53 là một chất điều hoà âm tính của sự phát triển và phân chia tế bào bình thường. Mặc dù các đột biến trong gen p53 cũng có mặt trong ung thư đại trực tràng, nhưng kết quả của nó đối với sự biểu hiện gen APC hoang dại hoặc đột biến không rõ ràng
• Cấu trúc của protein APC với các domain tương tác protein khác nhau
Tại đầu N tận cùng, protein APC có sự oligo hóa và chứa domain liên kết Armadillo lặp lại; và ở đầu C tận cùng có EB1 và domain liên kết DLG ức chế khối u. Protein APC còn chứa ba vùng gồm 15aa và bảy vùng gồm 20aa lặp lại, cấu trúc này liên quan đến việc điều chỉnh âm tính nồng độ protein β-catenin trong tế bào.
Một chức năng quan trọng của protein APC là làm phân rã beta-catenin, do đó duy trì nồng độ beta-catenin thấp trong tế bào chất. Beta-catenin có chức năng như là một proto-oncogen. Khi gen APC bị mất chức năng và kết quả là mất đi protein APC, dẫn đến làm tăng nồng độ beta-catenin trong tế bào chất và do đó di chuyển đến hạt nhân và gia tăng sự tăng sinh tế bào. Do đó, APC là một chất điều hoà âm tính của tín hiệu beta-catenin. Sự mất kiểm soát của con đường APC/beta-catenin không chỉ giới hạn ở ung thư đại trực tràng mà đột biến trong APC hoặc beta-catenin cũng đã được tìm thấy trong gần 30% các dòng tế bào u hắc tố ác tính.
35
• Các cá thể sinh ra với một allele đột biến của gen APC luôn phát triển hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn polyp tuyến ở ruột kết trong thanh thiếu niên hoặc ở tuổi 20 (polyp tuyến lành tính gia đình - FAP). Hầu như một hoặc nhiều polyp đều trải qua sự chuyển đổi ác tính, dẫn đến ung thư.
• Giống như các gen ức chế khối u khác, cả hai bản sao của gen APC phải bị mất để phát triển khối u. Ngoài các loại ung thư phát sinh trong quá trình hình thành, phần lớn (70-80%) ung thư đại trực tràng không thuộc gia đình và u tuyến ngẫu nhiên cũng cho thấy sự mất mát đồng hợp tử của gen APC ảnh hưởng nghiêm trọng đến trong quá trình phát sinh của khối u đại trực tràng.
36
• Ung thư đại trực tràng được hình thành qua một quá trình lâu dài với sự tham gia của nhiều gene khác nhau. Trong đó, sự đột biến gene APC là bước khởi đầu-sự đột biến này tương ứng với đột biến trên NST5q. Tiếp theo sau đó là sự hoạt hóa của gene K-ras và sự bất hoạt của các gene TSG trên NST18q và cuối cùng là gene p53. Sự bất hoạt của các gene này tương ứng với đột biến trên các NST18q và NST17p.
• Như vậy để tiến triển đến ung thư ác tính thì cần pahir có sự phối hợp của nhiều gene. Tuy nhiên có thể thấy sự bất hoạt của các TSG chiếm phần lớn.
37
• Ngoài các cơ chế di truyền thì quá trình di truyền biểu sinh – sự methyla hóa promoter cũng là một cơ chế gây đột biến các TSG.
• Hình minh họa sự phiên mã gene khi promoter không methyl hóa và sự bất hoạt của gen khi promoter được methyl hóa. Trong các tế bào bình thường, promoter của một số gen như protein ức chế khối u, các protein sửa chữa DNA không được methyl hóa và có thể tiếp cận để gắn với các yếu tố phiên mã (TF) cho phép sự phiên mã. Tuy nhiên, ở nhiều loại ung thư, các gen này được methyl hóa bởi DNA methyltransferase 1 và do đó bị ràng buộc bởi các protein gắn kết methyl-CpG (MBD) và histone deacetylase (HDAC). Do đó promoter bị methyl hoá không thể liên kết với các yếu tố phiên mã và không hoạt động. Trong các khối u và các dịch lỏng sinh học như huyết thanh và nước tiểu, DNA bị methyl hóa được đo bằng các phương pháp khác nhau để phát triển các công cụ chẩn đoán và tiên lượng bệnh ung thư.
HAT: histone acetyltransferase; RNA pol II, RNA polymerase II; và HMT: histone methyltransferase.
38
• Dưới đây là một ví dụ về sự methyl hóa promoter của TSG RASSF1A
• Kỹ thuật trình tự bisulfit đã được sử dụng ở đây để xác định tình trạng methyl hóa của đảo CpG, trong promoter của gen ức chế khối u RASSF1A. Mỗi vòng tròn cho biết vị trí của một dinucleotide CpG riêng biệt trong đảo này, vị trí của nó trong promoter RASSF1A cũng được chỉ ra bởi một đường viền dọc trên bản đồ. Vòng tròn màu xanh lam chỉ ra rằng một CpG đã được methyl hóa, trong khi vòng tròn không màu cho thấy nó không được methyl hóa. Phân tích năm mẫu DNA từ khối u 232 cho thấy có sự methyl hóa ở hầu hết các vị trí CpG trong đảo RASSF1A CpG; các mô lân cận, bình thường bề ngoài không được methyl hoá trong hầu hết nhưng không phải tất cả các phân tích của hòn đảo CpG này. Phân tích DNA đối chứng từ một cá thể bình thường chỉ ra sự vắng mặt của sự methyl hóa của CpGs trong đảo CpG này.