THỂ NHÂN VÀ SỰ KIỂM SOÁT THÔNG TIN DI TRUYỀN TRONG TẾ BÀO
Tách đôi bất kỳ nhân nào và nhìn vào bên trong bạn sẽ thấy nó giống như những hạt cườm kết trên một sợi dây. Các hạt cườm là các thể nhân (nucleosome), tức những phức protein nhỏ giúp đóng gói DNA (sợi dây) vào trong không gian chật chội của nhân. Trong mười lăm năm qua, thể nhân trong sự hiểu biết của chúng ta đã chuyển từ là những con lăn thụ động để DNA cuốn vào thành một đối tác thực thụ trong quá trình kiểm soát thông tin di truyền trong tế bào. Protein histone, thành thành phần tạo nên lõi của thể nhân, thường trãi qua nhiều sự hiệu chỉnh hóa học từ đó chúng cho phép thay đổi quá trình biểu hiện của những gene liên quan. Những biến đổi này gộp lại tạo nên cái được biết tới với tên gọi: mã histone, và một thách thức lớn của sinh học phân tử là giải mã cơ chế chúng ảnh hưởng tới biểu hiện của gene.
Hai sự hiệu chỉnh phổ biến nhất là phosphoryl hóa và methyl hóa, tức là sự thêm một nhóm phosphate hoặc một nhóm methyl vào các acid amine tạo nên histone. Allis và đông nghiệp trước đây đã đề xuất rằng sự phosphoryl hóa thuận nghịch serine hoặc threonine ở những vùng "đuôi" của histones có thể vô hiệu hóa sự gắn protein điều hòa vào gốc lysine đã methyl hóa bên cạnh, tạo ra một công tắc điều khiển hai chiều theo kiểu bật tắt. Trong Nature số 438(22 December 2005), nhóm Fischle (trang 1116) và nhóm Hirota (trang 1176) đã đưa ra dữ liệu chứng minh một cách mạnh mẽ cho mô hình này và nâng cao hiểu biết của chúng ta về cơ chế những biến đổi hóa học của histone có thể kiểm soát chức năng của nhiễm sắc thể.
Trong số những biến đổi cấu trúc histone đã được mô tả tới nay, sự methyl hóa gốclysine và phosphoryl hóa gốc serine và threonine đã thu hút nhiều sự quan tâm. Sự phosphoryl hóa gốc serine ở vị trí thứ 10 ở đuôi histone H3 thường xảy ra trong quá trình phân bào ở tế bào eukaryote (hoặc cao hơn). Một khi các tế bào này đã nhân đôi DNA và bắt đầu chuẩn bị phân chia, gần như tất cả histone H3 (H3S10) ở trong nhân dường như bị phosphoryl hóa ở vị trí này. Sự phosphoryl hóa vùng H3S10 cũng có thể xảy ra ở những giai đoạn khác của chu kỳ tế bào, nhưng chỉ ở những vị trí riêng rẽ trên NST có liên quan đến biểu hiện gene.
Sự methyl hóa gốc lysine phức tạp hơn. Sự methyl hóa ở lysine vị trí thứ 9 của histone H3 (H3K9) chủ yếu được tìm thấy ở chất dị nhiễm sắc - những vùng tối & đậm đặc, gần như bất hoạt của chất nhân. Ngược lại, sự methyl hóa ở lysine vị trí thứ 4 của histone H3 (H3K4), có liên quan đến các gene hoạt động. Các kết quả khác nhau của sự methyl hóa lysine bắt nguồn từ việc mỗi biến đổi tạo ra một mục tiêu gắn kết cho mỗi một protein khác nhau. Ví dụ như, protein dị nhiễm sắc số 1 (HP1), vốn kích thích sự hình thành chất dị nhiễm sắc (và kéo theo là làm bất hoạt gene), nhận diện và gắn vào H3K9 đã được methyl hóa thông qua việc sử dụng một vùng gọi là vùng nhiễm sắc (chromodomain). Trong khi đó CHD1, một enzyme có thể làm suy yếu cấu trúc thể nhân và do đó bộc lộ sợi DNA để phiên mã, lại nhận diện và gắn vào H3K4 đã methyl hóa thông qua hai vùng nhiễm sắc nằm nối đuôi nhau.
Nhóm Fischle và nhóm Hirota và các cộng sự kiểm tra các tế bào khi chúng chuẩn bị bước vào kỳ giữa của phân bào, lúc các NST đóng xoắn cực đại để tạo điều kiện cho sự phân ly của chúng vào các tế bào con. Cả hai nhóm đều phát hiện ra rằng những tế bào này tích lũy những histone H3 vừa bị methyl hóa ở lysine vị trí thứ 9 và phosphoryl hóa ở vị trí thứ 10 kề bên. Dùng kháng thể đặc hiệu cho những H3 bị biến đổi kép, các tác giả đã phát hiện ra rằng sự biến đổi kép này chỉ xảy ra riêng ở vùng chất dị nhiễm sắc của NST.
Trong hầu hết chu kỳ tế bào, HP1 cũng tập trung ở chất dị nhiễm sắc, nhưng khi quá trình đóng xoắn NST bắt đầu thì hầu hết HP1 rời khỏi các NST. Cả hai phòng thí nghiệm đều liên hệ sự li khai của HP1 với sự tích lũy H3S10 đã được phosphoryl hóa bằng cách chứng minh rằng việc bất hoạt một enzyme điều khiển sự phosphoryl hóa H3S10 (Aurora B Kinase) đã dẫn đến sự giữ HP1 lại ở NST. Những quan sát này nói lên rằng sự phosphoryl hóa H3S10 đã khiến HP1 phải ra đi khỏi vùng dị nhiễm sắc khi kỳ giữa bắt đầu. Để kiểm nghiệm giả thuyết này, các tác giả đã đo lường khả năng gắn của HP1 vào đuôi peptide của H3 được biến đổi kép bằng việc sử dụng sự phân cực huỳnh quang hoặc những hạt bi được phủ bởi peptide. Kết quả cho thấy trong cả hai phân tích, sự gắn kết HP1 vào H3K9 đã methyl hóa bị suy giảm đáng kể khi H3S10 bên cạnh cũng được phosphoryl hóa.
Các kết quả này chứng tỏ cần đánh giá tác động của các đa hiệu chỉnh trên đuôi histone; thực nghiệm cho thấy nếu sử dụng một kháng thể chỉ nhận diện một biến đổi thì rõ ràng không đủ để suy ra trạng thái của histone. Những phát hiện này cũng cung cấp những bằng chứng thực nghiệm cho giả thuyết công tắc điều hòa của Allis và cộng sự. Sự methyl hóa ở H3K9 và sự gắn kết đồng thời của PH1 không chỉ được phát hiện ở chất dị nhiễm sắc mà còn góp phần vào sự bất hoạt một số gene ở chất nhiễm sắc thật (vùng sáng, thưa và hoạt động hơn của chất nhân). Nếu HP1 có thể bị buộc phải rời vị trí bởi sự phosphoryl hóa H3S10 thì sự kiềm chế đó có thể bị phục hồi. Tuy nhiên vùng chất nhân nơi HP1 liên kết vẫn còn bị gắn nhãn bởi các nhóm methyl ở H3K9. Vì thế nếu nhóm phosphate của H3S10 bị loại bỏ (bằng protein phosphatase) thì điều này sẽ làm cho methyl H3K9 không bị cạnh tranh có mặt để phục hồi sự gắn kết của HP1 và tái thiết lại chất dị nhiễm sắc. Mô hình này thống nhất với những nghiên cứu cho rằng một histone methylase và một protein phosphatase có liên quan đến sự kiểm soát quá trình hình thành chất dị nhiễm sắc ở ruồi giấm. Liệu điều này có đúng với cơ chế điều hòa vùng chất nhiễm sắc thật hay không còn phải xem xét.
Một nghiên cứu khác trong số báo này (trang 1181) đề xuất rằng cơ chế bật tắt methyl-phospho có ứng dụng rộng rãi hơn. Flanagan và cộng sự mô tả cấu trúc tinh thể của vùng nhiễm sắc kép protein CHD1 ở động vật có vú khi đang ở trạng thái liên kết với một peptide H3 chứa H3K4 đã methyl hóa. Phương thức vùng nhiễm sắc CHD1 liên kết với lysine đã methyl hóa dường như khác với cách mà HP1 liên kết. Tuy nhiên liên kết của vùng nhiễm sắc CHD1 với H3K4 đã bị methyl hóa bị vô hiệu hóa in vitro thông qua quá trình phosphoryl hóa threonine bên cạnh. Rõ ràng CHD1 giống với helicase, một enzyme có khả năng nới lỏng sự tiếp xúc giữa DNA và thể nhân. Như vậy sự tương tác có kiểm soát giữa CHD1 với H3K4 nhờ sự phosphoryl hóa H3T3 có thể điều hòa sự tiếp cận của protein điều hòa với DNA để kiểm soát biểu hiện gene.
Sử dụng công tắc tắt bật hai chiều để loại bỏ những protein liên kết với histones bị methyl hóa về cơ bản sẽ đảo ngược tác động của sự methyl hóa histone. Cho tới nay người ta phát hiện tế bào còn sử dụng hai phương pháp nữa để đạt được kết quả này. Thứ nhất, khi RNA polymerase trượt trên gene để tạo mRNA mã hóa thì nó đẩy thể nhân ra khỏi DNA. Thể nhân tái tạo lại một khi polymerase đã đi qua, và quá trình có thể thay thế histone đã bị methyl hóa bằng những histone không bị methyl hóa. Thứ hai, enzyme histone demethylase có thể trực tiếp cắt các nhóm methyl khỏi những lysine đặc biệt.
Tại sao lại dùng ba cơ chế để đạt được cùng một kết quả hóa sinh? Do mỗi cơ chế có một tác động tổng thể khác nhau. Sự đẩy thể nhân ra khỏi vị trí của nó bởi RNA polymerase có thể loại bỏ tất cả những dấu vết hiệu chỉnh trên thể nhân (hình 1b). Quá trình khử gốc methyl ở lysine có thể đặc hiệu với một số thể nhân nào đó, nhưng nó cũng sẽ "tẩy xoá" nguyên cả hệ thống methyl hóa. Tuy nhiên, bằng cách không can thiệp đến các gốc methyl và thải loại các yếu tố liên kết methyl-lysine qua sự phosphoryl hóa các amino acid kề bên, tế bào có thể nhanh chóng tái tổ chức cấu trúc NST trên quy mô lớn trong khi vẫn giữ nguyên hệ gốc methyl thiết yếu; điều này cho phép cấu trúc ban đầu được phục hồi dựa trên quá trình khử gốc phospho.
Việc Fischle và cộng sự xác định được 16 trường hợp lysine được kẹp hai bên bởi serine hoặc threonine trong số bốn histone tạo nên thể nhân nói lên rằng có khả năng có thêm những "công tắc" bật tắt như vậy nữa. Chuỗi cườm đơn điệu thực chất là một chuỗi ngọc trai muôn màu muôn vẻ cạnh tranh với nhau để kiểm soát sự biểu hiện của gene.
Figure: Ba cơ chế đối lập nhau để điều hòa sự gắn kết của các protein liên kết đặc hiệu với các histone bị methyl hóa. a) nhóm Fischle và nhóm Hirota đã cho ta thấy rằng sự phosphoryl hóa một serine hay threonine nằm kề bên một lysine đã bị methyl hóa sẽ tạo ra một đơn vị methyl-phospho. Đơn vị này không còn có thể gắn kết với các protein liên kết methyl. Quá trình phosphoryl hóa có thể dễ dàng đảo nghịch bằng một phosphatase. Cơ chế này giữ nguyên hệ thống gốc methyl ban đầu. b) Sự trượt qua của RNA polymerase II có thể dẫn đến sự thay thế thể nhân, làm mất hệ thống gốc methyl ban đâu. c) Hệ thống đặc thù về vị trí của thể nhân bị methyl hóa có thể bị xóa bỏ bởi histone demethylase. Trong trường hợp b và c, hệ gốc methyl chỉ có thể phục hồi bằng sự hoạt động trở lại của histone methyltransferase có định vị.
Nguồn: sưu tầm*
Xem thêm
Tuyển tập các câu hỏi sinh học phần I (có đáp án)
Sửa lần cuối bởi điều hành viên:
