Nature 435, 747-749 (9 June 2005) | doi: 10.1038/435747a
Một trong những vấn đề lý thú nhất của ngành sinh học hiện đại là tìm hiểu sự biến đổi bất thường của một số protein. Những protein thay đổi hình dạng của chúng từ gấp khúc nghiêm ngặt mang chức năng đặc hiệu sang một khối vô định. Chính sự biến đổi này được cho là nguyên nhân gây ra một số căn bệnh kỳ lạ mới xuất hiện gần đây cũng như nó là cơ sở cho một số ý tưởng đề xuất rằng: có hiện tượng thông tin di truyền được lan tòa mà không cần đến acid nhân. Trên tờ Nature 435, 747-749 (9 June 2005) vừa công bố 3 công trình cung cấp nhiều thông tin lý thú về các protein bất thường này.
Một trong những hình thức mà protein bình thường hay biến đổi nhất là chúng chuyển sang dạng sợi giống tinh bột. Những protein giống sợi tinh bột được cho là có liên hệ mật thiết với bệnh Alzheimer và khỏang 20 hội chứng bệnh khác do sự “gấp khúc bất thường” của protein như bệnh tiểu đường dạng II, bệnh bò điên, bệnh Creutzfeldt−Jakob v.v… Khi trở thành một tác nhân gây bệnh nói trên, những protein này được gọi là Prion (proteinaceous infectious particles). Ngòai động vật bậc cao, người ta còn được tìm thấy ở những sinh vật bậc thấp khác như nấm men và nấm mốc. Tuy nhiên chức năng và cấu trúc của prion ở nấm men không quan hệ gì với các prion đã được nhận diện khám phá ở động vật bậc cao, cũng như khả năng biến đổi thành dạng vô định không chỉ đi liền với bệnh lý mà còn phụ thuộc tính di truyền của chủng nấm men.
Các protein nằm trong khối vô định hình dạng sợi tinh bột sẽ được gấp khúc tạo ra vùng lõi bao gồm một mảng liên tục các phiến β. Phiến β là một họ mô thức (motif) rất thường gặp ở protein, nhưng ở đây các phiến β được sắp xếp vuông góc với trục thẳng đứng (trục sợi), mô thức này lúc này được gọi là cấu trúc β chéo. Khả năng tạo ra cấu trúc đặc hiệu này có thể là một đặc tính di truyền của chuỗi polypeptide mặc dù chúng ta vẫn biết rằng chính trình tự acid amine mới là yếu tố quyết định tạo cấu trúc dạng sợi (cấu trúc bậc 1) và các phân tử thành phần sắp xếp trong sợi này. Do đó nếu hiểu biết được tại sao thành phần acid amine quyết định cấu trúc bậc một dạng sợi nơi protein sẽ giúp chúng ta hiểu được đặc tính của protein mà cụ thể là prion. Tuy nhiên, đến nay vấn đề này thực sự là một giới hạn mà các nhà sinh học cấu trúc chưa thể vượt qua được.
Trên trang 773, Nelson et al. đã có một báo cáo đột phá trong hướng nghiên cứu này. Nhóm đã sử dụng một peptide chứa 7 gốc amino acid vốn là vùng tận cùng N của prion nấm men Sup35 và cố gắng biến peptide này thành một vi tinh thể 3 chiều đủ để nghiên cứu nhiễu xạ tia bằng X với độ phân giải cao. Kết quả cho thấy nó đã tạo ra một cấu trúc đặc biệt mà họ tin rằng chính là yếu tố quyết định vùng lõi của một sợi dạng tinh bột. Hơn nữa, quan sát bằng kính hiển vi điện từ cho thấy cấu trúc tinh thể được hình thành từ sự gắn kết của các thành vấn có kích thước siêu nhỏ ở mức độ nanomet. Cụ thể hơn các tác giả thấy là cấu trúc β chéo ở dạng tinh thể được tạo thành từ những cặp phiến β mà trong đó mặt trong của chuỗi acid amine của những phiến này cài chéo vào nhau khiến cho các phân tử nước không lọt vào được. Bề mặt ngòai trái lại, được thủy hóa và cách xa nhau cho thấy tương tác ít đặc hiệu này có thể là một tiếp xúc điểm mang tính tinh thể hơn là tính chất trạng thái sợi. Điều này gợi ý cho thấy đơn vị cấu trúc cơ bản của sợi protein có thể là một cặp phiến dẹp. Nhận định này cũng phù hợp với những kết luận từ nhiều nghiên cứu trên một vài protein dạng sợi tinh bột như insulin bằng kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh (cryo-electron microscopy) trước đó. Điều này cũng cung cấp thêm cho một giả thuyết cho rằng tương tác hình thành dạng sợi vốn là một đặc tính cố hữu của protein.
Bên cạnh việc nghiên cứu cấu trúc của prion thì vấn đề quan trọng kế tiếp là phải tìm cho ra quan hệ giữa cấu trúc đặc biệt này và các đặc tính sinh học liên quan như là đặc tính gây bệnh . Cũng trên tờ Nature 435, 747-749 (9 June 2005) này, trên trang 844 Ritter et al. đã cố gắng đưa ra câu trả lời bằng cách sử dụng một chuỗi chứa 71 gốc acid amine ở đầu tận cùng carbon của prion HET-s tách từ một lòai nấm sợi. Prion này vốn không thể tạo thành dạng tinh thể như Sup35 nhưng bằng cách sử dụng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân đã nhận diện 4 vùng trình tự liên quan đến cấu phiến β. Mỗi vùng chứa 7-10 gốc acid amine liên tục và tiếp tục sử dụng mẫu dò hùynh quang một lần nữa cho thấy cấu trúc dạng phiến β chính là cấu trúc lõi tạo nên protein dạng sợi tinh bột. Nghiên cứu sâu hơn, Ritter et al. nhận thấy sự sắp xếp của sợi polypeptide bên trong vùng lõi mang nhiều nét tương đồng đáng ngặc nhiên với cách thức mà peptide 7 acid amine đã sắp xếp trong nghiên cứu tinh thể của Nelson et al. Cuối cùng bằng cách tạo ra một chuỗi đột biến trên vùng lõi protein, nhóm tác giả đã chứng minh rằng cấu trúc lõi chính là yếu tố chính gây nên sự truyền nhiễm ở tế bào sống.
Tiếp tục đi sâu vào tìm hiểu mối quan hệ giữa cấu trúc và đặc tính sinh học, Krishnan và Lindquist trên trang 765 đã cho thấy nhiều phát hiện thú vị. Hai tác giả sử dụng một mảnh khá lớn 250 gốc acid amine prion Sup35 mang đầy đủ tính chất tự nhiên của một prion nấm men tự nhiên điển hình. Cũng như Ritter et al., do không thể sử dụng phương phát tạo tinh thể nên họ dùng một lọat phương pháp thay thế khá thông minh khác cho các bước nghiên cứu của mình nhằm dò tìm ra điều kiện họat động cụ thể cho từng gốc acid amine riêng rẽ. Đặc biệt là bằng kỹ thuật hùynh quang, họ đã dò tìm và xác định luôn mối quan hệ giữa các gốc acid amine khác nhau trong chuỗi polypetide. Từ việc phân tích một khối lượng dữ liệu khổng lồ thu được, Krishnan và Lindquist đã nhận diện hai vùng – mỗi vùng 15 acid amine – quyết định cái gọi là tương tác nội phân tử khi prion ở trạng thái sợi. Từ đó họ cho rằng bước đầu tiên của quá trình „vón cục“ là quá trình “nấu chảy”, nghĩa là phân tử protein trở nên hỗn lọan về mặt cấu trúc và từ từ bị gãy vụn, trong bước nấu chảy này, quá trình tạo lõi cũng có thể diễn ra và cho phép phát triển thành cấu trúc dạng sợi.
Có thể xem nghiên cứu của Krishnan và Lindquist là bước đầu tiên dần dần đi vào khám phá những đặc tính độc đáo của prion, do công trình của hai tác giả này đã dò ra được cơ chế kích họat khả năng protein „tự sinh nở“. Một đặc tính khác của prion cũng khiến nhiều nhà khoa học tranh cãi đó là sự tồn tài của các „chủng prion“ khác nhau, tức là một prion nào đó có thể gắn liền với một dạng bệnh lý nào đó. Theo ngữ cảnh đó, Krishnan và Lindquist đã bước thêm một bước quan trọng trong nghiên cứu của mình, họ nhận thấy rằng những gốc acid amine đặc biệt tạo nên vùng lõi của sợi prion sẽ khác nhau phụ thuộc vào điều kiện bên ngòai. Chẳng hạn, đơn giản là thay đổi nhiệt độ khỏang 20 °C thì có thể thu những sợi prion khác nhau và chúng có khả năng tự tăng sinh tương tự như quá trình hình thành tinh thể. Kết quả quan sát này cho thấy những chủng prion khác nhau có thể đi liền với các biến thể tự sinh sản đặc hiệu bằng quá trình tương tác phân tử giữa các sợi prion có cấu trúc tổ chức chặt chẽ. Kết luận này cũng có thể xem là một lời giải thích tại sao những bệnh do prion gây ra không truyền giữa các lòai động vật với nhau.
Tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần được làm sáng tỏ quanh hiện tượng prion gây bệnh. Nhưng ba nghiên cứu mới nhất này dẫu sao cũng cho thấy con người hòan tòan có thể chiến thắng được mọi vấn đề sinh học tưởng như khó khăn nhất.
Một trong những vấn đề lý thú nhất của ngành sinh học hiện đại là tìm hiểu sự biến đổi bất thường của một số protein. Những protein thay đổi hình dạng của chúng từ gấp khúc nghiêm ngặt mang chức năng đặc hiệu sang một khối vô định. Chính sự biến đổi này được cho là nguyên nhân gây ra một số căn bệnh kỳ lạ mới xuất hiện gần đây cũng như nó là cơ sở cho một số ý tưởng đề xuất rằng: có hiện tượng thông tin di truyền được lan tòa mà không cần đến acid nhân. Trên tờ Nature 435, 747-749 (9 June 2005) vừa công bố 3 công trình cung cấp nhiều thông tin lý thú về các protein bất thường này.
Một trong những hình thức mà protein bình thường hay biến đổi nhất là chúng chuyển sang dạng sợi giống tinh bột. Những protein giống sợi tinh bột được cho là có liên hệ mật thiết với bệnh Alzheimer và khỏang 20 hội chứng bệnh khác do sự “gấp khúc bất thường” của protein như bệnh tiểu đường dạng II, bệnh bò điên, bệnh Creutzfeldt−Jakob v.v… Khi trở thành một tác nhân gây bệnh nói trên, những protein này được gọi là Prion (proteinaceous infectious particles). Ngòai động vật bậc cao, người ta còn được tìm thấy ở những sinh vật bậc thấp khác như nấm men và nấm mốc. Tuy nhiên chức năng và cấu trúc của prion ở nấm men không quan hệ gì với các prion đã được nhận diện khám phá ở động vật bậc cao, cũng như khả năng biến đổi thành dạng vô định không chỉ đi liền với bệnh lý mà còn phụ thuộc tính di truyền của chủng nấm men.
Các protein nằm trong khối vô định hình dạng sợi tinh bột sẽ được gấp khúc tạo ra vùng lõi bao gồm một mảng liên tục các phiến β. Phiến β là một họ mô thức (motif) rất thường gặp ở protein, nhưng ở đây các phiến β được sắp xếp vuông góc với trục thẳng đứng (trục sợi), mô thức này lúc này được gọi là cấu trúc β chéo. Khả năng tạo ra cấu trúc đặc hiệu này có thể là một đặc tính di truyền của chuỗi polypeptide mặc dù chúng ta vẫn biết rằng chính trình tự acid amine mới là yếu tố quyết định tạo cấu trúc dạng sợi (cấu trúc bậc 1) và các phân tử thành phần sắp xếp trong sợi này. Do đó nếu hiểu biết được tại sao thành phần acid amine quyết định cấu trúc bậc một dạng sợi nơi protein sẽ giúp chúng ta hiểu được đặc tính của protein mà cụ thể là prion. Tuy nhiên, đến nay vấn đề này thực sự là một giới hạn mà các nhà sinh học cấu trúc chưa thể vượt qua được.
Trên trang 773, Nelson et al. đã có một báo cáo đột phá trong hướng nghiên cứu này. Nhóm đã sử dụng một peptide chứa 7 gốc amino acid vốn là vùng tận cùng N của prion nấm men Sup35 và cố gắng biến peptide này thành một vi tinh thể 3 chiều đủ để nghiên cứu nhiễu xạ tia bằng X với độ phân giải cao. Kết quả cho thấy nó đã tạo ra một cấu trúc đặc biệt mà họ tin rằng chính là yếu tố quyết định vùng lõi của một sợi dạng tinh bột. Hơn nữa, quan sát bằng kính hiển vi điện từ cho thấy cấu trúc tinh thể được hình thành từ sự gắn kết của các thành vấn có kích thước siêu nhỏ ở mức độ nanomet. Cụ thể hơn các tác giả thấy là cấu trúc β chéo ở dạng tinh thể được tạo thành từ những cặp phiến β mà trong đó mặt trong của chuỗi acid amine của những phiến này cài chéo vào nhau khiến cho các phân tử nước không lọt vào được. Bề mặt ngòai trái lại, được thủy hóa và cách xa nhau cho thấy tương tác ít đặc hiệu này có thể là một tiếp xúc điểm mang tính tinh thể hơn là tính chất trạng thái sợi. Điều này gợi ý cho thấy đơn vị cấu trúc cơ bản của sợi protein có thể là một cặp phiến dẹp. Nhận định này cũng phù hợp với những kết luận từ nhiều nghiên cứu trên một vài protein dạng sợi tinh bột như insulin bằng kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh (cryo-electron microscopy) trước đó. Điều này cũng cung cấp thêm cho một giả thuyết cho rằng tương tác hình thành dạng sợi vốn là một đặc tính cố hữu của protein.
Bên cạnh việc nghiên cứu cấu trúc của prion thì vấn đề quan trọng kế tiếp là phải tìm cho ra quan hệ giữa cấu trúc đặc biệt này và các đặc tính sinh học liên quan như là đặc tính gây bệnh . Cũng trên tờ Nature 435, 747-749 (9 June 2005) này, trên trang 844 Ritter et al. đã cố gắng đưa ra câu trả lời bằng cách sử dụng một chuỗi chứa 71 gốc acid amine ở đầu tận cùng carbon của prion HET-s tách từ một lòai nấm sợi. Prion này vốn không thể tạo thành dạng tinh thể như Sup35 nhưng bằng cách sử dụng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân đã nhận diện 4 vùng trình tự liên quan đến cấu phiến β. Mỗi vùng chứa 7-10 gốc acid amine liên tục và tiếp tục sử dụng mẫu dò hùynh quang một lần nữa cho thấy cấu trúc dạng phiến β chính là cấu trúc lõi tạo nên protein dạng sợi tinh bột. Nghiên cứu sâu hơn, Ritter et al. nhận thấy sự sắp xếp của sợi polypeptide bên trong vùng lõi mang nhiều nét tương đồng đáng ngặc nhiên với cách thức mà peptide 7 acid amine đã sắp xếp trong nghiên cứu tinh thể của Nelson et al. Cuối cùng bằng cách tạo ra một chuỗi đột biến trên vùng lõi protein, nhóm tác giả đã chứng minh rằng cấu trúc lõi chính là yếu tố chính gây nên sự truyền nhiễm ở tế bào sống.
Tiếp tục đi sâu vào tìm hiểu mối quan hệ giữa cấu trúc và đặc tính sinh học, Krishnan và Lindquist trên trang 765 đã cho thấy nhiều phát hiện thú vị. Hai tác giả sử dụng một mảnh khá lớn 250 gốc acid amine prion Sup35 mang đầy đủ tính chất tự nhiên của một prion nấm men tự nhiên điển hình. Cũng như Ritter et al., do không thể sử dụng phương phát tạo tinh thể nên họ dùng một lọat phương pháp thay thế khá thông minh khác cho các bước nghiên cứu của mình nhằm dò tìm ra điều kiện họat động cụ thể cho từng gốc acid amine riêng rẽ. Đặc biệt là bằng kỹ thuật hùynh quang, họ đã dò tìm và xác định luôn mối quan hệ giữa các gốc acid amine khác nhau trong chuỗi polypetide. Từ việc phân tích một khối lượng dữ liệu khổng lồ thu được, Krishnan và Lindquist đã nhận diện hai vùng – mỗi vùng 15 acid amine – quyết định cái gọi là tương tác nội phân tử khi prion ở trạng thái sợi. Từ đó họ cho rằng bước đầu tiên của quá trình „vón cục“ là quá trình “nấu chảy”, nghĩa là phân tử protein trở nên hỗn lọan về mặt cấu trúc và từ từ bị gãy vụn, trong bước nấu chảy này, quá trình tạo lõi cũng có thể diễn ra và cho phép phát triển thành cấu trúc dạng sợi.
Có thể xem nghiên cứu của Krishnan và Lindquist là bước đầu tiên dần dần đi vào khám phá những đặc tính độc đáo của prion, do công trình của hai tác giả này đã dò ra được cơ chế kích họat khả năng protein „tự sinh nở“. Một đặc tính khác của prion cũng khiến nhiều nhà khoa học tranh cãi đó là sự tồn tài của các „chủng prion“ khác nhau, tức là một prion nào đó có thể gắn liền với một dạng bệnh lý nào đó. Theo ngữ cảnh đó, Krishnan và Lindquist đã bước thêm một bước quan trọng trong nghiên cứu của mình, họ nhận thấy rằng những gốc acid amine đặc biệt tạo nên vùng lõi của sợi prion sẽ khác nhau phụ thuộc vào điều kiện bên ngòai. Chẳng hạn, đơn giản là thay đổi nhiệt độ khỏang 20 °C thì có thể thu những sợi prion khác nhau và chúng có khả năng tự tăng sinh tương tự như quá trình hình thành tinh thể. Kết quả quan sát này cho thấy những chủng prion khác nhau có thể đi liền với các biến thể tự sinh sản đặc hiệu bằng quá trình tương tác phân tử giữa các sợi prion có cấu trúc tổ chức chặt chẽ. Kết luận này cũng có thể xem là một lời giải thích tại sao những bệnh do prion gây ra không truyền giữa các lòai động vật với nhau.
Tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần được làm sáng tỏ quanh hiện tượng prion gây bệnh. Nhưng ba nghiên cứu mới nhất này dẫu sao cũng cho thấy con người hòan tòan có thể chiến thắng được mọi vấn đề sinh học tưởng như khó khăn nhất.
