TIỂU LUẬN SỰ LÃO HÓA

Quá trình sinh trưởng và phát triển của tế bào và cơ thể sinh vật được sự kiểm soát chặt chẽ và điều khiển bởi các hệ thống gene trong tế bào (bao gồm các gen trong nhân và gene ngoài nhân). Đa số các tế bào đã biệt hoá của cơ thể sinh trưởng trong một giới hạn nhất định. Ở các loài sinh vật có quá trình lão hoá, tế bào được phân chia một số lần rồi dừng lại, ở một số loại tế bào thì sự phân chia không được diễn ra trong cả quá trình sống. Các tế bào ở giai đoạn lão hoá sẽ chuyển sang dạng chết. Cái chết của tế bào có hai loại : chết theo chu trình (apoptosis) và chết hoại tử (necrosis). Apoptosis hoặc sự chết của tế bào theo chương trình là một quá trình mà nhờ nó mà các tế bào già, hỏng, không bình thường sẽ bị loại trừ khỏi cơ thể. Khi một tế bào rơi vào trạng thái apoptosis thì nó sẽ có những sự thay đổi về mặt hình thái cũng như về mặt sinh hoá:

Phần 1: Apoptosis và sự lão hoá

Quá trình sinh trưởng và phát triển của tế bào và cơ thể sinh vật được sự kiểm soátchặt chẽ và điều khiển bởi các hệ thống gene trong tế bào (bao gồm các gen trongnhân và gene ngoài nhân) Đa số các tế bào đã biệt hoá của cơ thể sinh trưởng trongmột giới hạn nhất định Ở các loài sinh vật có quá trình lão hoá, tế bào được phânchia một số lần rồi dừng lại, ở một số loại tế bào thì sự phân chia không được diễn

ra trong cả quá trình sống Các tế bào ở giai đoạn lão hoá sẽ chuyển sang dạng chết.Cái chết của tế bào có hai loại : chết theo chu trình (apoptosis) và chết hoại tử(necrosis) Apoptosis hoặc sự chết của tế bào theo chương trình là một quá trình mànhờ nó mà các tế bào già, hỏng, không bình thường sẽ bị loại trừ khỏi cơ thể Khimột tế bào rơi vào trạng thái apoptosis thì nó sẽ có những sự thay đổi về mặt hình thái cũng như về mặt sinh hoá:

TRF1

MEKK,IKK,NFkB Cell

proliferationinflamation

TRDD= TNF(Tumor Necrosis Factor) receptor associate death domain.

RIP= Receptor interacting protein

TRAF = TNF receptor associated factor

TRAIL = TNF related apoptosis inducing ligands

Có hai quá trình chính tham gia vào sự lão hoá đó là: quá trình ngắn dần của cáctelomere và sự tấn công của các gốc tự do.Ty thể là nơi mà các gốc tự do được vậnchuyển và chuyển hoá thông qua chuỗi vận chuyển điện tử Từ đó mà các gốc tự dotác động mạnh trở lại, chúng có thể tương tác với các phân tử DNA hoặc protein vàlàm thay đổi chức năng trong tế bào Đích cuối cùng của sự tác động này chính làkênh VDAC ( voltage dependent anion chanel), nhân tố giữ vai trò trung tâm trongquá trình apoptosis thông qua ti thể

Ở đây Cytocrom C giữ vai trò đặc biệt quan trọng Cytocrom C và các phân tử nhỏkhác có thể đi qua MPTP (mitochondrial permeability transition pore) bao gồmVADC trong các màng vòng ngoài, thay đổi vị trí của nucleotit Adenin (ANT-adenine nucleotide translocator) ở màng bên trong, và có một vài protein bổ trợ đó

là các protein họ Bcl-2 tham gia vào quá trình apopotosis (hình 1)

Hình 1: Sơ đồ quá trình Apoptosis thông qua ty thể

Các protein họ Bcl-2 (B-cell lymphoma 2) có thể phân làm 3 nhóm:

- Anti - apoptotic: chúng có trình tự tương đồng tại các domain BH1, BH2, BH3 và BH4 (BH = Bcl-2 homology), ví dụ như các Bcl-2và các Bcl-xL.

- Các pro – apoptotic: chúng có trình tự tương đồng tại các domain BH1, BH2 và BH3 Ví dụ như Bax và Bak(Bcl-2 homologous antagonist killer)

- BH3 – only proteins: chúng là các pro –apoptotic nhưng chỉ có trình tự tương đồng ở domain BH3 Ví dụ như Bid, Bik và Bim

BAX_protein BID_protein

Cơ chế con đường apoptosis với sự tham gia của Bcl-2 được mô tả ở hình 2 :

Hình 2: Cơ chế quá trình Apoptosis của tế bào

Con đường thông qua ty thể được kích hoạt bởi các yếu tố như shock nhiệt, sự tổnthương DNA Trong trường hợp này có sự tham gia của p53 là sản phẩm của gen

ức chế ung thư TP53 có chức năng dừng chu trình tế bào khi ADN có sai hỏng đểADN được sửa chửa hoặc nếu ADN không thể sửa chửa được thì p53 hoạt hóa một

số gen gây chết tế bào theo chưng trình, những gen này sẽ làm giải phóngcytocrom C trong ty thể gây chết tế bào

Sau khi nhận được tín hiệu stress thì những protein tham gia vào quá trìnhapoptoisis và BAX, BID gắn lên màng ngoài của ti thể để truyền tín hiệu cho một

thể Sau đó Cytochrome C sẽ kết hợp với 1 protein khác là Apaf-1 (Apoptoticprotease activating factor 1) và ATP để hình thành một phức hợp protein trongcytoplasm, phức hợp này sẽ hoạt hoá caspase-9, một protease đóng vai trò quantrọng trong quá trình khởi sự apoptosis Và việc kích hoạt caspase-9 hoạt độngcùng với phức hợp của Cytochrome C, ATP và Apaf-1 để tạo thành mộtapoptosome Và thể apoptosome này lại tiếp tục kích hoạt caspase-3, một loạiprotease tham gia vào quá trình phân mảnh DNA Toàn bộ quá trình này được mô

tả tóm tắt theo hình 3:

Hình 3: Các giai đoạn của quá trình apoptosis

Trong quá trình gây chết này cần xác định vai trò của p53 tác động để giải phónghiston1 ra khỏi tế bào chất, điều này có vai trò gì trong sự chết tế bào?

Các Histon 1 đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu apoptosis từ nhân

ra tế bào chất Phóng xạ tia X gây ra sự tổn thương DNA, dẫn đến hoạt hóa p53,cảm ứng sự giải phóng cyctochrome C của ty thể (sau đó hoạt hóa caspasecascade) thông qua hoạt động Histon H1.Tuy nhiên, Konishi và cộng sự (2003) đãchứng minh Histon H1.2 không hoạt động theo con đường phụ thuộc p53 mà thôngqua BAK để hoạt hóa ty thể giải phóng cyctochrome C Quá trình này được mô tả

ở hình 4

Kiefer và cộng sự (1995) đã chứng minh BAK có cùng chức năng với BAX là tăng

sự cảm ứng apoptosis Konishi (2003) cũng chứng minh được sai hỏng biểu hiệncủa histon H1.2 trong tế bào T và ruột non tăng khả năng kháng apoptosis khi bịkích thích bởi phóng xạ tia X

Các nghiên cứu chỉ ra rằng domain BH4 cần cho hoạt hoá anti –apoptotic vàdomain BH3 là quan trọng và đặc biệt cần thiết cho quá trinhf hoạt hoá pro-apoptotic Cả hai loại Bcl-2/Bcl-xL và Bax/Bak tương tác với VADC (chứ khôngphải với ANT) dẫn đến làm thay đổi tính thấm của màng Các anti-apoptotic Bcl-2

và Bcl-xL đóng kênh VDAC; các pro-apoptotic Bax và Bak có thể mở kênh VADCdẫn tới giải phóng Cytochrome C Hoạt động của các BH3-only proteins hiện naychưa được làm sang tỏ

Các gốc tự do như supeoxit cũng có thể mở kênh VADC, kết quả là dẫn tới qúatrình giải phóng Cytochrome C và tế bào chết Đây có thể là một cơ chế chính củaquá trình lão hoá Một vài nghiên cứu đã chứng minh sự suy giảm quan trọng củacác quá trình nguyên phân của tim và hệ xương trong suốt quá trình lão hoá thôngthường Các gốc tự do và sự ngắn dần của các telomere có thể cùng góp phần vàoquá trình lão hoá trong con đường này Các gốc tự do là nguyên nhân của cái chết

tế bào Dù các tế bào mới có thể sinh sản bằng phân bào, telomere sẽ trở bị ngắndần ở các thế hệ tế bào tiếp sau (ngoại trừ trường hợp telomerase kéo dài phầntelomere) Do vậy, chiều dài của telomere suy giảm dần, và nó sẽ hoạt hoá p53 dẫnđến dừng quá trình phân bào Do đó, tuổi thọ của các tế bào sẽ không dài hơn ở các

tế bào mới được phân chia

Hình 5: Con đường tín hiệu apoptosis thông qua ty thể

Vai trò của Cytochrome C trong quá trình apoptosis: Cytochrome C nằm trongnhóm nhân tố quan trọng trong các chất oxy hoá của thế giới sinh vật, là thànhphần không thể thiếu của sự sống, đồng thời, nó cũng là nhân tố chính khởi độngcho cánh cửa của cái chết Cytochrome C (hình 5) là một protein cổ, phát triển sớmtrong sự tiến hoá của sự sống Chức năng của nó cực kỳ quan trọng và chắc chắnrằng nó hầu như không thay đổi trong hàng triệu năm.Chúng ta có thể thấy được ở

tế bào nấm men hay tế bào thực vật, cấu trúc của phân tử Cytochrome C như nhau

và hầu như không thể phân biệt được

View larger

version (42K):

[in this window]

[in a new window]

Hình 6: Cytochrome C is a carrier of electrons Like many

proteins that carry electrons, a prosthetic group directly handles the electrons Cytochrome C contains a heme group with an iron ion at the center that accepts and releases electrons easily The surrounding protein tunes the affinity of the iron ion for

electrons, and also directs the docking of Cytochrome C to the two protein complexes that supply and receive the electrons Atomic coordinates were taken from entry 3cyt at the Protein Data Bank (www.pdb.org).

Chức năng của họ Cytochrome C đó là chúng chính là chất mang các điện tử.Chúng nằm trong bước cuối cùng của chuỗi vận chuyển điện tử, tham gia vào quátrình sản sinh năng lượng Cytochrome C vận chuyển các điện tử trên bề mặt giữahai lớp màng của ty thể Chúng nằm ở pha tối, cytochrome và ty thể chính là yếu tố

cơ bản của quá trình apoptosis, tín hiệu tế bào bắt đầu cho quá trình chết theo chutrình của tế bào

View larger

version (93K):

[in this window]

[in a new window]

Hình 7: Cytochrome C trong apoptosis : Cytochrome C (màu đỏ sáng) giải phóng vào trong tế bào chất qua đáy Tại đây Cytochrome C kết hợp với Apaf-1 và tích tụ lại trong thể apoptosome Cuối cùng phức hợp này hoạt hoá protein – cutting caspases và khởi động sự chết của tế bào theo chu trình

Apoptosis được diễn ra khi một số sai sót diễn ra trong tế bào: DNA bị phá huỷ,tách rời với các tế bào xung quanh, các nhân tố sinh trưởng bị hỏng, quá trình xâmnhiễm… Tế bào sau đó bắt đầu một hoặc nhiều cascades của protein tín hiệu trảitín hiệu trên khắp tế bào và cho tới khi tế bào tự bị phá huỷ Apoptosis là vô cùngquan trọng trong nhiều quá trình tự nhiên, ví dụ như quá trình đồng sinh trưởng vàchọn lọc loại bỏ bởi hình dạng trong sự phát triển của phôi Nếu hệ thống bị hỏng,thì có thể đưa tới hệ quả nghiêm trọng, dẫn tới các bệnh thoái hoá nếu vượt quáhoạt động và cho phép sự phát triển của ung thư nếu bị khoá

Phần 2: Thuyết liên kết chéo - cross-linking theory

Thuyết liên kết chéo trong lão hoá dựa trên cơ sở theo dõi với quá trình già hoá,các protein, DNA và các cấu trúc phân tử khác tham gia kết hợp hoặc trao đổi chéovới một phân tử khác Đây là các liên kết hay tương tác phụ linh động trong phân

tử protein và các phân tử khác Các protein này bị phá huỷ hoặc trở thành khôngcần thiết và thường bị phân giải bởi các enzyme protease, và sự có mặt của các liênkết chéo làm ức chế sự hoạt hoá của các protease Các phân giải này và các proteinkhông cần thiết chính là nguyên nhân gây ra các vấn đề

Sự ổn định của mô ECM được biết đến như là phương pháp tăng cường tuổi thọcủa một collagen cơ bản Hơn 50 năm qua, một số lượng lớn nghiên cứu về traođổi chéo đã được mô tả Các hình thức trao đổi chéo này là thường xuyên trong cácchất hoá học (như glutaraldehyde, isocyanates, sugars, carbondiimides, …), dướitác động của các tác nhân vật lý như nhiệt, hoặc các chất, tia phóng xạ như UV, tiagama Nhìn chung, các tác nhân hoá học và nhiệt trong hiện tượng liên kết chéo cókhuynh hướng làm cứng các mô, bao gồm quá trình loại bỏ của nước, và liên kếtchặt lại của các phân tử sợi collagen trong tương tác với các chất nền Thêm vào

đó, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng có một lượng lớn các liên kết tác dụng với cácphương thức này Ví dụ, ở các mô glutaraldehiyde có xu hướng liên tụccytotoxicity và vôi hoá Sự biến tính của collagen là một ảnh hưởng chung chịu tácđộng của nhiệt và phóng xạ tại các mô có liên kết chéo, điều này làm cho chúng dễ

bị tổn thương bởi các serine – protease, ví dụ như Trypsin Cuối cùng, tất cả cácdạng liên kết chéo thường làm cho quá trình trở nên mất kiểm soát, đó chính là sựvượt khỏi tầm kiểm soát trong các mô có liên kết chéo, cho tới khi liên kết chéonày tới giới hạn và đưa tới quá trình gây chết của tế bào

Sản phẩm làm bền có tên UltiFixAE (Peugasus Biologics, Irvine, Calif) là mộtcarbondiimide hoà tan trong nước – chất hoá học trung gian của quá trình trao đổichéo, tạo ra bởi các liên kết amide bền vững Pegagsus Biologics được phép sở hữucông nghệ này tới việc tạo ra các dạng cấu trúc tương tự collagen bền vững và cótuổi thọ cao Một vài đơn vị chuyên biệt phân biệt phương pháp làm bền này từ cácphương thức trao đổi chéo thông thường Không giống như các quá trình liên kếtchéo thông thường, phương pháp này cho phép mức độ điều khiển của sự trao đổichéo, điều này minh hoạ tại hình 8

Hình 8: Sự làm bền các cấu trúc mô bằng các liên kết chéo trong các phân tử

collagen (UltiFix tissue stabilization)

Điều này cho phép sản phẩm sinh học cấy ghép (bioimplants) với dạng liên kết chéo dày đặc có thể làmbằng chứng bởi chúng thường rất nhạy cảm với các enzyme sửa chữa Các liên kết chéo riêng rẽ và sự bền của các cấu trúc mô sẽ quyết định chính đến sự phân cắt này dưới đây là biểu đồ phân cắt của pronase (24h) và collagenase (48h) (hình 9)

Hình 9: Enzyme phân cắt các loại cấu trúc mô khác nhau.

High resistance in fully (FX) cross-linked tissues Moderate in partially (PX) cross-linked tissues Nominal in minimally (MX) cross-linked tissues

Sự làm bền khác nhau cũng được xác định là khi ở các cấp độ liên kết chéo káhc nhau nó làm cho các phân tử trở nên bền với sự thay đổi của nhiệt độ hơn

Hình 10: Vị trí của các liên kết chéo

Một số nghiên cứu đã chứng minh cho thuyết này Liên kết chéo của các proteinbiểu bì collagen đã chỉ ra là có một phần chịu trách nhiệm của các nếp gấp và sựthay đổi trong tuổi ở biểu mô

Hình 11: Liên kết chéo trong phân tử collagen

Hình 12: minh hoạ của hai phân tử collagen liên kết chéo với các phân tử

pyridinoline (PYD) và deoxypyridinoline (DPD)

Các protein liên kết chéo trong thấu kính của mắt cũng điều khiển sự tạo thành đụcnhân của mắt ở tuổi già Các chuyên gia nghiên cứu cho rằng, sự liên kết chéo củacác protein trong thành động mạch hoặc trong các hệ thống bộ lọc của thận lànguyên nhân quan trọng, cho rằng ít nhất một vài dạng của xơ vữa động mạch vàgiới hạn tuổi già trong chức năng của thận được quan sát trong các cơ thể cao tuổi.Các nghiên cứu khác được thực hiện bởi viện Bjorksten thuộc Winconsin về các

mô não ở các động vật còn non liên quan tới các cấu trúc của các phức hợp liên kếtchéo Các mô não này đã sớm chỉ ra rằng, một vài phần trong mô não của cơ thểgià có sự hình thành tự nhiên của các cấu trúc protein não có liên kết chéo, thêmmột bằng chứng chứng minh cho quá trình lão hoá chịu sự chi phối của thuyết này

Hình 13: Cấu trúc dạng tinh thể của liên kết chéo Cytochrome C peroxidase –

cytochrome

Một vài thí nghiệm trực tiếp nhằm chứng minh thuyết liên kết chéo tham gia vàoquá trình lão hoá có thể được tìm thấy trong các nghiên cứu về thuốc, đặc biệt làcác loại thuốc ngăn chặn quá trình liên kết chéo, và sự tác động của chúng trong

vô số các thành phần của quá trình lão hoá

Các nghiên cứu tại Trung Quốc và Vương quốc Anh về phân tử carnosine là mộtchất kích thích

Carnosine

Carnosine tìm thấy ở nồng độ rất nhỏ tại não và một số mô khác Trong phòng thínghiệm, carnosine được chỉ ra rằng chúng làm ngưng quá trình nhạy cảm hoặc giàhoá của các nguyên bào sợi ở người Carnosine hoạt động bằng cách ngăn ngừa sựliên kết chéo của các protein Gần đây, tại Trung Quốc đã nghiên cứu thành côngcarnosine có thể có tác dụng làm ngưng quá trình đục nhân mắt, ở đó có sự thamgia một phần của các quá trình liên kết chéo Hàm lượng carnosine ở các độ tuổikhác nhau là khác nhau, được minh hoạ ở hình 14

Hình 14: Biểu đồ nồng độ carnosine trong cơ ở các độ tuổi

DNA và liên kết chéo

Cấu trúc cơ bản của phân tử DNA trong nhiễm sắc thể được minh hoạ ở hình 15

BEAD-LIKE NUCLEOSOMES H1-COMPACTED NUCLEOSOMES

Hình 16: Sơ đồ tác nhân oxi hoá và phá huỷ tế bào trong quá trình lão hoá

Genome cuả loài người có khoảng 30.000 gene, nhưng ước tính chỉ 2% trong số chúng là có sự khác biệt với genome của vượn, điều đó làm cho giới hạn tuổi thọ cuat con người tăng lên Sự khác biệt về tuổi thọ đó có thể là do vài trăm gene hoặcthậm chí ít hơn gây ra Trong quá trình phát triển của một con người, chịu sự tác động của rất nhiều yếu tố ngoại cảnh cũng như thay đổi của môi trường nội sinh trong cơ thể Một trong những tác động đó chính là quá trình xâm hại, phá huỷ của các chất oxi hoá đối với các đại phân tử sinh học, trong đó có phân tử DNA

Thuyết lão hoá chỉ ra rằng, phân tử DNA quy định quá trình già hoá (hoặc chương trình giới hạn lão hoá) Thuyết cũng chỉ ra rằng có sự liên kết giữa lão hoá với quá trình phân huỷ/đột biến hoặc khả năng sửa chữa DNA

“Wear & tear” của DNA có thể đưa tới 2 dạng: đột biến và sự phá huỷ của DNA Một phân tích chứng minh rằng chúng có sự khác biệt: đó là sự tồn tại hay phá huỷcủa phân tử DNA phụ thuộc vào mức độ tương tác và khả năng sửa chữa của phân

tử DNA với các tác nhân gây đột biến Sự thay thế của một Thymine bằng một Adenine sẽ dẫn tới một đột biến, từ đó thiếu một Adenine hoặc sự methyl hoá của