Giải thưởng Nobel y sinh học năm 2002 pot

Đó là chết theo chương trình programmed death hay apoptosis nguyên uỷ từ apoptosis này chỉ hiện tượng lá rụng vào mùa thu, nay trong sinh học dùng để chỉ cái chết êm ả tất nhiên phải đến

Giải thưởng Nobel y sinh học năm 2002 (The Nobel Prize in Bio-Medicine 2002)

GS Vũ Triệu An

Bộ môn Miễn dịch Sinh lý bệnh

Đại học Y Hà Nội

Ngày 7 tháng 10 năm 2002, Hội đồng Giải thưởng Nobel của Viện Karolinska (Thuỵ Điển) đã quyết định trao giải Nobel về Y Sinh học năm 2002 cho các nhà khoa học

Sydney Brenner, H Robert Horvitz và John E Sulston

Vì những khám phá của họ trong lĩnh vực "Điều hoà gen trong sự phát triển cơ quan và chết theo chương trình"[10]

Như mọi sinh vật vĩ mô, cuộc sống của tế

bào cũng trải qua 4 thời kỳ phát sinh, phát

triển, tiến triển và kết thúc Kết thúc thường là

chết theo một trong 2 phương thức: chết do

hoại tử và chết theo chương trình Cách chết

thứ nhất xẩy ra khi tế bào bị một tấn công

mãnh liệt, màng tế bào vỡ, nhân tan ra nhiều

mảnh có cỡ khổ khác nhau Còn cách chết thứ

hai thường là do từ bên trong dưới tác dụng của

một số tín hiệu lam men endonuclease hoạt

động và cắt nhân ra thành nhiều mảnh có kích

cỡ tương tự như nhau [2] Đó là chết theo

chương trình (programmed death) hay

apoptosis (nguyên uỷ từ apoptosis này chỉ hiện

tượng lá rụng vào mùa thu, nay trong sinh học

dùng để chỉ cái chết êm ả tất nhiên phải đến mà

bình thường xẩy ra với tế bào già đến thời kỳ

kết thúc chu trình sống nếu không phân chia

thành 2 tế bào mới) Nếu chết do hoại tử đã

được biết từ cổ xưa thì chết theo chương trình

mới chỉ được mô tả thay đổi về hình thái ra từ

mấy năm đầu của thập kỷ 70 Ba nhà bác học

vừa được giải thưởng nói trên đã có công lớn là

nhờ thay đổi đối tượng nghiên cứu mà đã đi sâu

vào tìm hiểu có chế của quá trình chết theo

chương trình, nhờ đó làm sáng tỏ cả cơ chế

điều hoà gen trong sự phát triển cơ quan

Sydney Brenner (sinh năm 1927) làm việc

tại Viện Nghiên cứu Phân tử Berkeley, Mỹ

Ông đã dùng C elegans làm một mẫu thực

nghiệm mới Vào đầu những năm 1960, ông đã nhận thấy có những khó khăn cơ bản trong việc nghiên cứu sự biệt hoá và phát triển cơ quan ở

động vật cấp cao, như động vật có vú chẳng hạn Do vậy, rất cần có một mẫu hình nghiên cứu của sinh vật đa bào nhưng đơn giản và dễ thực hiện Ông đã thấy con giun tròn -

Caenorhabditis elegans- là một mẫu hình lý

tưởng Loại giun này dài khoảng 1mm, thân trong suốt, rất thuận lợi cho việc quan sát quá trình phân chia tế bào trực tiếp dưới kính từ khi con giun hãy còn là trứng cho đến khi nó trưởng thành Trong số 1090 tế bào có ở con giun C elegans thì bao giờ cũng có 131 tế bào

được sinh ra không để làm gì cả và sẽ chết theo chương trình [10] Các quá trình đó đã được

ông trực tiếp theo dõi và quan sát qua kính hiển

vi Các khám phá của Brenner được tiến hành ở

Đại học Cambridge Điều này đã tạo ra cơ sở giúp cho tất cả các công việc về sau của ông cũng như của các nhà nghiên cứu khác như John Sulton đi sâu vào theo dõi, phân tích quá trình di truyền với phân chia, biệt hoá tế bào và phát triển cơ quan

John Sulston (sinh năm 1942), làm việc tại

Trung tâm Sanger, Đại học Cambridge, Anh, người đã theo dõi sự phân chia, biệt hoá của mỗi tế bào trong sự phát triển thành một mô

của C elegans và nhờ đó đã thành lập được

một thứ ” phả hệ của một dòng tế bào” nghĩa là

quá trình phát sinh phát triển, và kết thúc của

một dòng tế bào theo một chương trình không

thay đổi từ con giun này sang con giun khác

Ông đã mô tả được quá trình chết theo chương

trình này trước nhất qua quan sát trực tiếp

Nhưng quan trọng nhất là ông đã xác định được

gen nuc-1 tham gia vào quá trình này mở

đường cho Robert Horvitz tiếp tục đóng góp

thêm

Robert Horvitz (Sinh năm 1947), làm việc

tại Viện Nghiên cứu Công nghệ,

Massachusetts, Cambridge, USA, người đã

khám phá và xác định những gien quan trọng

kiểm soát quá trình tế bào chết theo chương

trình ở C elegans Ông cũng cho thấy những

gien đó tương tác với nhau trong quá trình chết

của tế bào như thế nào và chúng cũng được bảo

tồn ở các sinh vật cấp cao như ở con người

Vậy tổng quan lại quá trình chết theo

chương trình là như thế nào? Trong phạm vi bài

thông tin tôi chỉ xin nêu mấy nét chính Các

bạn đọc có thể tham khảo thêm: “Apoptosis,

chết theo chương trình” tài liệu tham khảo cho

sau đại học Bộ môn Miễn dịch Sinh lý bệnh

Vũ-Triệu-An (1998) [2]

Quá trình apoptosis là cái chết tự nhiên của

tế bào Trong chết do hoại tử, các màng của tế

bào đều ít nhiều bị hư hại nên nguyên sinh chất

cũng như nhân vỡ thành những mảnh không

đều nhau Trái lại chết theo chương trình thì

trước tiên có hiện tượng ngưng tụ chromatin rồi

nguyên sinh chất cô đọng, màng nguyên sinh

chất lõm vào ôm lấy mảnh chromatin tạo thành

mảnh tế bào được gọi là thể apoptosis [5]

Trước tiên chết theo chương trình là một

hiện tượng sinh lý xẩy ra để loại bỏ những tế

bào không cần thiết cho cơ thể sống như những

tế bào già, những tế bào không còn chức năng

hay nếu tồn tại sẽ không có lợi cho cơ thể

Trong miễn dịch học [1] một thí dụ điển hình

là tế bào lymphô khi ở tuỷ xương đi ra đến

tuyến ức thì phải trải qua một sự chọn lọc Chỉ

được giữ lại hoạt động những tế bào nào nhận

biết MHC của bản thân (chọn lọc dương) và dung thứ với các tự kháng nguyên (chọn lọc

âm) Còn những tế bào khác đến 90% bị loại theo con đường apoptosis

Cũng như mọi hoạt đông khác của tế bào, chết theo chương trình cũng được khởi phát, kiểm soát và rồi mới được thực hiện Nguyên nhân hiện nay được biết nhiều thường là từ bên ngoài nhưng có cả từ bên trong Mọi yếu tố bên ngoài có thể làm hư hại dến ADN nhân (ion, bức xạ, nóng lạnh quá ) mà vượt ngoài khả năng tự sửa chữa của tế bào Những yếu tố bên trong thường là sự mất cân bằng của quá trình

điều hoà sinh trưởng tế bào mà gây ra ví dụ như khi thiếu yếu tố sinh trưởng, giảm hoạt động của các rêxepto tương ứng hay tăng những cytokin ức chế tế bào sinh trưởng như TNFα, Fas

Nhưng biểu hiện ra bên ngoài về hình thái

và hoá sinh của hiện tương lại khá đơn điệu và thuần nhất Do đó làm cho người ta nghĩ rằng

để có thể đi đến một kết thúc như vậy, bên trong của hiện tượng này tế bào phải trải qua một thân chung Một điều nữa mà nhiều tác giả chú ý đến là tính trạng tức thì [6] của tế bào cũng có vai trò quyết định của sự khởi phát hay không sự chết theo chương trình Những ví dụ

về miễn dịch học đã nói ở trên với cũng cùng chất kích thích, cùng một đối tượng tế bào thì khi lại là tăng sinh khi lại là chết theo chương trình Đến nay người ta đã hiểu rõ hơn cơ chế bên trong và thấy là sau khi có tín hiệu cảm ứng thì bên trong tế bào đối tượng còn có sự kiểm soát điều hoà trước khi bước sang giai

đoạn thực hiện chết theo chương trình Nói một cách khác là quá trình chết theo chương trình cũng là kết quả của sự cân bằng giữa những yếu tố nội tế bào tăng cường và yếu tố ức chế Những thí nghiệm tiến hành trên con giun tròn

C elegans đã làm sáng tỏ vấn đề

Dùng những kỹ thuật sinh hoc và gien học phân tử người ta thấy được ở con giun bé nhỏ kia quá trình chết theo chương trình là do 3 gien điều hoà và kiểm soát: ced-3, ced-4 và

ced-9 Chính ced-3 giữ vai trò một enzym tiêu

protein (protease) chủ yếu trong sự gây chết

theo chương trình của 131 tế bào trong quá

trình trưởng thành của con giun [8] Người ta

thấy mọi biến dị làm mất hay giảm hoạt động

của gien ấy sẽ kéo theo sự sống sót những tế

bào đáng nhẽ sẽ bị loại Ngược lại gien ced-9

có hoạt động chống lại ced-3 nghĩa là ngăn cản

quá trình apoptosis của những tế bào cần sống sót Như vậy là có một sự cân bằng đối kháng giữa hai gien Còn gien ced-4 thì mã hoá yếu tố hoạt hoá protease của apoptosis (Apaf = Apoptosis protease activating factor), protease

ấy là enzym endonuclease sản phẩm của ced-3 cần thiết để tiêu DNA (Hình 1)

Hình 1 Quá trình apoptosis ở con giun C elegans: 131 tế bào bị loại bỏ do chết theo

chương trình dưới tác dụng của gen ced-4 làm chuyển cân bằng giữa ced-9/ced-3

nghiêng về bên ced-3 và từ đó hoạt hoá protease phá nhân

ở người, từ 1985 người ta phát hiện ra một

gen sinh ung thư có biểu lộ mạnh trong u

lymphô B gọi là Bcl-2 [1] Gien không gây

phân triển tế bào nhưng lại có tác dụng chống

lại quá trình chết theo chương trình mà bình

thường những tế bào ấy sẽ bị loại bỏ nếu chúng

không có đáp ứng miễn dịch Do đó những tế

bào này không chết và là tiền đề để gây ra u

Lý thú là sau khi thành công tạo clôn ced-9 thì

thấy là protein của gen này có một sự tương

đồng rất gần với protein do Bcl-2 mã Nhưng ở

sinh vật cấp cao người ta đã phát hiện hơn một

chục gen cùng họ Bcl-2 mà protein của chúng lại có tác dụng khác nhau, cái tăng cường, cái

ức chế chết theo chương trình Các phân tử protein sản phẩm của họ Bcl-2 đều nằm trên màng tế bào hay ty lap thể và có thể chia thành hai nhóm đối lập nhau; nhóm tăng cường như Bcl-Xs, Bax, Bak, Bad, Bid và nhóm ức chế như Bcl-2, Bcl-XL, Mcl-1, Nr-13 Có thể nói

là có một sự cân bằng giữa hai nhóm Khi thiên

về một bên nào đó thì có thể tăng apoptosis hay ngược lại (Hình 2)

Giai đoạn 1 tín hiệu: rất nhiều loại tín hiệu

có thể gây ra apoptosis Các đường dẫn tín hiệu

có vẻ dẫn đến một con đường chung thuộc giai

đoạn 2

Giai đoạn 2 kiểm soát và điều hoa xẩy ra ở

ty lạp thể Có một sự cân bằng giữa 2 nhóm

Bcl-2 và Apaf mà nếu kết quả thiên về chết thì

chuyển sang giai đoạn 3

Giai đoạn 3 thực hiện: thay đổi thế năng

màng và xuất hiện các gốc tự do dẫn tới phóng

thích cytochrome và AIF, caspase được hoạt

hoá và nhân bị chẻ thành mảnh nhỏ, tế bào chết

theo chương trình

Nhưng từ 1994 đi sâu vào cơ chế phát sinh

chết theo chương trình thì người ta thấy vai trò

rất quan trọng của ty lạp thể [8, 9, 10] Bao giờ

apoptosis cũng có kèm theo những thay đổi sâu sắc của bào quan Sự sụt thế năng màng ty lạp thể ∆ψm là gốc của những sai sót và thí nghiệm dùng chất ngăn sụt giảm ∆ψm như acid bongkrekic sẽ không gây ra apoptosis Như vậy

có thể kết luận là sự thay đổi tính thấm màng gây ra apoptosis và giảm ∆ψm là do sự thay đổi tính thấm ấy và khi có thay đổi như vậy thì cytochrom C và AIF (apoptosis inducing factor) từ trong sẽ ra ngoài ty lạp thể Chúng hoạt hoá enzym tiêu đạm caspase có trong bào tương để dẫn đến cái chết theo chương trình (Hình 2)

Sự chú ý của các nhà khoa học đến cơ chế của sự chết theo chương trình càng được tăng cường vì hai lý do:

Càng ngày người ta càng phát hiện ra nhiều

bệnh trong đó có trục trặc về apoptosis và đồng

thời cũng tìm ra được một số chất có tác động

lên quá trình ấy;

Càng ngày càng rõ là những cơ chế chịu

trách nhiệm về quá trình apoptosis có liên quan

đến nhiều khía cạnh thấy trong nhiều trạng thái

bệnh lý người

Những biểu hiện lâm sàng thấy trong nhiều

rối loạn bệnh lý rất khác nhau mà lại là hậu quả

của tình trạng kích thích bất thường sự chết

theo chương trình Cụ thể như trong bệnh Alzheimer hay xuất hiện ở người già, bệnh Huntington, nhồi máu cơ tim hay trong hội chứng suy giảm miễn dịch AIDS

Mặt khác khi apoptosis không hoạt động thì

sẽ dẫn đến tăng sinh tế bào mà có thể không kiểm soát nổi nữa Rất có khả năng là một số u

ác tính thực ra có thể là hậu quả của những yếu

tố loại bỏ quá trình chết theo chương trình Bảng 1 tóm tắt những nhóm bệnh trong đó apoptosis tăng (+) hay giảm (-)

Bảng 1 Những bệnh có liên kết với rối loạn quá trình apoptosis (8)

Bệnh thoái hoá thần kinh Alzheimer

SLA, xơ cứng cột bên teo cơ

Parkinson

+ + + Rối loạn miễn dịch Bệnh tự mẫn

Bệnh AIDS Bệnh đái tháo đường Bệnh viêm tuyến giáp

+ + + + Hội chứng thiếu máu-tái

tưới

Nhồi máu cơ tim Tai biến mạch máu não

+ + Ung thư Lymphoma

Astrocytoma Hepatoma Melanoma Một số u khác

+ + + + +

Hói đầu

+ + Bảng 1 tóm tắt những nhóm bệnh trong đó

apoptosis tăng (+) hay giảm (-)

Hội chứng thiếu máu-tái tưới

(ischemia-reperfusion) thường xuất hiện trong tai biến

mạch máu não và nhồi máu cơ tim [2, 8] Khi

này tắc mạch máu do xơ cứng mạch nên tại

chỗ có thiếu tưới máu, thiếu oxy và một số tế

bào bị chết do hoại tử Nhưng hoặc do điều trị

(làm tiêu cục máu đông, ghép nối mạch) hoặc

do tự hồi phục mà tại chỗ có tăng tái tưới

máu thì lại thấy xuất hiện những vùng tế bào

chết theo chương trình xung quanh chỗ hoại

tử ban đầu mở rộng ra Hiện nay qua những mô hình thực nghiệm trên thỏ hay chuột gây nhồi máu cơ tim rồi tái tưới người ta đã thấy

rõ tổn thương kinh điển hoại tử tế bào ở giữa nơi thiếu máu có được bao quanh bởi những vùng tế bào chết apoptosis Hiện tượng có vẻ nghịch lý ấy là do một sự tăng quá mức các gốc tự do oxy hoá mà quan trọng là NO Phân

tử này do cả enzym NO synthetase nội mô lẫn NOS viêm tạo ra Các gốc tự do là một

trong nhiều nguyên nhân gây ra quá trình

apoptosis [2] Trên người cũng thấy như vậy

và tổn thương do tái tưới này lại dễ xẩy ra

hơn so với những cố gắng mở thông động

mạch vành bị tắc (dùng thuốc tiêu cục máu

đông, phẫu thuật mạch )

Để hạn chế quá trình chết theo chương

trình ấy người ta đã thử trên vật thí nghiệm

những chất chống apoptosis và đã thấy có kết

quả đáng khích lệ

Những chất chống apoptosis đầu tiên được

phát hiện thấy trong một số virut như là một

phương cách giúp chúng tồn tại trong cơ thể

mà chúng nhiễm Một số gien của chúng mã

cho những protein chống lại apoptosis do hệ

thống miễn dịch gây ra nhằm loại bỏ những

tế bào bị nhiễm Chính đó là cơ chế để chúng

có thể né tránh được những cơ chế miễn dịch

bảo vệ cơ thể và giúp chúng tồn tại và sinh

sôi nẩy nở bên trong tế bào Gần đây lại tổng

hợp được một số peptid có tác dụng ức chế

hoạt năng của caspase đang được dùng thử

trên chuột và kết quả bước đầu đã cho phép

thử trên người

Những phát minh của 3 nhà bác học đã

giúp cho hiểu biết thêm về sự điều hoà vô

cùng tinh tế bên trong cơ thể sống Cho nên

mới có quan niệm cho rằng thiên nhiên

không nhào nặn ra sinh vật (làm thay đổi

hình thái với một số lượng không thay đổi)

mà điêu khắc ra chúng (tức gọt rũa bỏ bớt để

có một hình thái thích hợp) Một lần nữa

những công trình ấy lại càng làm sáng tỏ hơn

cái thế cân bằng tuyệt vời giữa những yếu tố

khác nhau luôn luôn hoạt động trong cơ thể

bình thường và mọi mất cân bằng đều có thể

đưa đến tình trạng bệnh lý Hơn nữa thành

quả ấy còn mở rộng nhiều phương hướng

nghiên cứu trong bình thường cũng như bệnh

lý

Tài liệu tham khảo

1 An- Vũ-Triệu, Homberg J.C (1997),

"Đáp ứng miễn dịch, tương tác và điều hoà" Ch.VIII, mục 7, "Kháng nguyên ung thư và oncogien" Ch.XV mục 2.2., trong Miễn dịch học, Nhà xuất bản Y học Hà Nội

2 An- Vũ-Triệu (1998), Apoptosis hay chết theo chương trình Bài giảng sau đại học

Bộ môn Miễn dịch Sinh lý bệnh

3 An- Vũ-Triệu (1998), Một vài nét về chết theo chương trình Tạp chí Nghiên cứu Y học số 3 tháng 7 Đại học Y Hà Nội tr, 34-35 4.Bensa JC (2000), Mort et stress cellulaire Applications a l’Immunologie Mars PCEM1

5 Golstein Pierre (1991), Mort programmee et terrain cellulaire Medecine/Science, 7, 7, 681

6.Kahn Alexis Presque tout sur CED-4 un chaperon proapoptogene du ver a l‘homme Medecine/Science 1997, 13, 1342

7 Mignon Alexandre & al (1998), Les caspases et les proteases a cysteine de l’apoptose: la mort programmee est-elle apparue a la suite de l’evenement endosymbiotique a l’origine des mitochondries? Medecine/Science, 1, 14, 9

8 Mignotte Bernard, & al (1998), Controle mitochondrial de l’apoptose: la mort programmee est elle apparue a la suite de l‘evenement endosymbiotique a l‘ origine des mitochondries Medecine/Science, 1, 14, 54

9 Polla S Barbara & al (1998), Les mitochondries, carrefour entre vie et mort cellulaire, role des proteines de stress et consequences sur l’inflammation Medecine/Science, 1, 14, 18

10 Hyperlink.”http://www.mednobel.ki.se 7 October 2002