Chết rụng tế bào

Quá trình

Quá trình chết rụng tế bào được điều tiết bởi nhiều tín hiệu, những tín hiệu này có thể đến từ bên ngoài tế bào hoặc ngay ở bên trong tế bào. Các tác động bên ngoài có thể bao hàm các chất độc, kích hãm tố, chất kích thích, mônôxít nitơ hay cytokine; chúng có thể đi xuyên qua lớp màng tế bào hay tác động theo cơ chế truyền tín hiệu để kích thích một phản ứng. Các tín hiệu này có thể là tích cực (khơi mào, kích thích) hoặc tiêu cực (ngăn chặn, ức chế,...) đối với quá trình chết rụng.
Tế bào phát tín hiệu chết rụng nội bào để phản ứng trước một ứng kích mà có thể gây ra sự tự hủy của tế bào. Các ứng kích này có thể là việc các thụ quan của nhân tế bào bị glucocorticoid bám dính, nhiệt, phóng xạ, thiếu hụt dinh dưỡng, nhiễm virút, hypoxia và việc nồng độ canxi nội bào tăng bất bình thường, vân vân và vân vân, bằng việc gây tổn thương cho màng sinh chất, có thể kích hoạt việc giải phóng các tín hiệu chết rụng nội bào bởi một tế bào bị tổn thương. Một số thành phần của tế bào như poly ADP ribose polymerase cũng có thể đóng vai trò trong việc điều tiết quá trình chết rụng.
Trước khi quá trình chết thật sự của tế bào được kích thích bởi các enzyme, các tín hiệu chết rụng phải khiến cho các protein khơi mào chu trình chết rụng. Kết quả của bước này sẽ quyết định việc tín hiệu chết rụng sẽ gây ra cái chết cho tế bào hay quá trình chết rụng sẽ bị đình lại (vì tế bào không cần phải chết nữa). Một số protein tham gia vào quá trình này, tuy nhiên hiện nay mới có hai quá trình điều tiết chính được nhận diện: tác động vào ti thể về mặt chức năng hay truyền tín hiệu chết rụng trực tiếp thông qua các protein tiếp hợp tới cơ chế chết rụng. Một chu trình ngoại bào cho việc khơi mào được nhận diện trong một vài nghiên cứu về chất độc, đó là việc tăng nồng độ canxi trong tế bào bởi các tác động của thuốc, điều này sẽ gây ra sự chết rụng thông qua calpain, một enzyme dạng protase có hoạt tính phụ thuộc vào việc canxi bám vào nó.

Điều hòa ở ti thể

Ti thể là một bào quan cần thiết cho cơ thể đa bào. Không có ti thể thì tế bào sẽ phải ngừng quá trình hô hấp hiếu khí và nhanh chóng chết sau đó; điều này được tận dụng triệt để trong quá trình chết rụng tế bào. Các protein chết rụng tác động lên ti thể theo nhiều cách khác nhau. Chúng có thể làm ti thể căng phồng lên bằng cách hình thành các lỗ trên màng ti thể, hay làm tăng tính thấm của màng ti thể và khiến các tác nhân gây chết rụng tràn ra ngoài tế bào chất. Cũng có những bằng chứng cho thấy mônôxít nitơ có khả năng kích thích quá trình chết rụng bằng cách thủ tiêu thế điện hóa màng sinh chất của ti thể và vì thế làm tăng tính thấm của chúng.
Ở các động vật có dây sống, ti thể đóng vai trò quan trọng trong chu trình nội tại của quá trình chết rụng. Cụ thể hơn, chu trình này phụ thuộc vào việc ti thể phóng thích một số chất nằm ở khoảng không gian giữa hai lớp màng ti thể vào trong tế bào chất nhằm khơi mào sự chết rụng.
Những protein của ti thể như các loại chất hoạt hóa thứ hai bắt nguồn từ ti thể của caspase (SMACs - second mitochondria-derived activator of caspases) được phóng thích vào tế bào chất sau khi tính thẩm thấu của màng ti thể tăng lên. Các chất hoạt hóa bám vào các chất ức chế của protein chết rụng (Inhibitor of apoptosis proteins - IAPs) và bất hoạt các chất ức chế này để chúng không thể ngăn cản quá trình chết rụng diễn ra. Những chất ức chế cũng thường có tác dụng ngăn chặn hoạt tính của một nhóm protease thuộc dạng cysteine mang tên caspase có tác dụng phân rã tế bào; vì vật các enzymephân rã tế bào được điều tiết một cách gián tiếp bởi tính thấm của màng ti thể.
Một protein ti thể đóng vai trò tối quan trọng trong quá trình chết rụng nội tại là cytochrome c (cyt c).. Cyt c được phóng thích khỏi ti thể bởi sự hình thành của một kênh dẫn mang tên kênh được kích thích bởi quá trình chết rụng ở ti thể (Mitochondrial apoptosis-induced channel - MAC) nằm trên lớp ngoại màng ti thể, và đóng vai trò như một cơ quan điều tiết vì chúng báo trước sự thay đổi về hình dạng có liên quan đến việc chết rụng. Một khi cytochrome c được phóng thích chúng bám vào các nhân tố kích hoạt protease chết rụng -1 (apoptotic protease activating factor - 1, Apaf-1) và ATP khiến chúng trải qua quá trình oligomer hóa và trở thành một phức hợp mang tên thể chết rụng (apoptosome). Các thể chết rụng cắt các tiền caspase-9, hoạt hóa chúng thành caspase-9 và caspase-9 lại hoạt hóa caspase-3 để caspase-3 thực hiện xử lý các protein nội bào.
Các kênh MAC, đôi khi được gọi là "lỗ thẩm thấu hóa ngoại màng ti thể" (Mitochondrial Outer Membrane Permeabilization Pore - MOMPP) được điều hòa bởi nhiều protein khác nhau, tỉ như các protein được mã hóa bởi họ gien chống chết rụng ở động vật có vú Bcl-2, gien đồng đẳng của ced-9, một gien nằm trong bộ máy di truyền của C. elegans. Các protein của Bcl-2 có khả năng thúc đẩy hay ức chế quá trình chết rụng bằng tác động trực tiếp lên kênh MAC/MOMPP. Bax hoặc/và Bak hình thành nên lỗ thẩm thấu hóa, trong khi Bcl-2, Bcl-xL hay Mcl-1 ngăn chặn chuyện này.

Truyền tín hiệu trực tiếp

Hiện nay đã có hai thuyết về truyền tín hiệu trực tiếp của cơ chế chết rụng ở động vật có vú được đề xuất: thuyết kích thích bởi nhân tố hoại tử khối u (tumour necrosis factor - TNF) và thuyết trung gian gốc kết hợp Fas-Fas model, cả hai đều bao hàm sự bắt cặp của các thụ quan của họ chất Thụ quan nhân tố hoại tử khối u (TNF receptor -TNFR) với các tín hiệu bên ngoài.

Chu trình TNF

Nhân tố hoại tử khối u (TNF) là một cytokine được sản xuất bởi các đại thực bào được hoạt hóa, và là chất môi giới ngoại lai chủ yếu của binary hipaloptic apoptosis. Phần lớn các tế bào trong cơ thể người có hai thụ quan dành cho nhân tố hoại tử khối u: TNF-R1 và TNF-R2. Khi TNF-R1 bám vào TNF sẽ kích hoạt một chuỗi phản ứng dẫn đến việc hoạt hóa caspase thông qua protein màng trung gian mang tên "vực kết cấu chết gắn với thụ quan nhân tố hoại tử khối u" (TNF receptor-associated death domain - TRADD) và "vực kết cấu protein chết gắn với Fas" (Fas-associated death domain protein - FADD). Việc bám vào các thụ quan này có thể gián tiếp dẫn tới sự kích hoạt của nhân tố phiên mã liên quan tới sự tồn tại của tế bào và các phản ứng sưng viêm. Mối liên hệ giữa nhân tố hoại tử khối u với sự chết rụng tế bào cho thấy tại sao việc sản sinh nhân tố này một cách bất thường đóng vai trò chính trong một số bệnh ở người, nhất là bệnh tự dị ứng.

Chu trình Fas

Thụ quan Fas (còn được biết tới với tên Apo-1 hay CD95) bám vào gốc kết hợp FAS (Fas ligand - FasL), một protein xuyên màng và là một thành viên của họ TNF. Sự tương tác giữa Fas và FasL dẫn tới sự hình thành của "phức hợp tín hiệu kích hoạt chu trình chết" (death-inducing signaling complex - DISC), bao gồm FADD, caspase-8 và caspase-10. Trong một số loại tế bào (loại I), caspase-8 đã qua xử lý trực tiếp kích hoạt một số thành tố khác trong họ caspase và khơi mào cho quá trình chết rụng tế bào. Ở một số loại tế bào khác (loại II), phức hợp Fas-DISC khơi mào một chu trình hồi tiếp đề rồi việc phóng thích các nhân tố xúc tiến quá trình chết rụng từ ti thể và sự kích hoạt mang tính khuếch đại của caspase-8.

Chu trình chết rụng không phụ thuộc vào caspase

Chu trình này được điều tiết bởi một nhân tố kích thích chết rụng (apoptosis-inducing factor -AIF).

Loại bỏ các tế bào chết

Việc loại bỏ các tế bào chết bởi các thể thực bào xung quanh chúng được gọi efferocytosis. Các tế bào khi đạt đến giai đoạn cuối của quá trình chết rụng sẽ phát tín hiệu thực bào bằng việc đặt những protein đặc trưng như phosphatidylserine trên bề mặt của chúng. Phosphatidylserine thường được tìm thấy trên bề mặt tiếp xúc với tế bào chất của màng sinh chất nhưng trong quá trình chết rụng chúng được chuyển ra bề mặt ngoài của tế bào bởi một protein mang tên scramblase. Các phân tử này đánh dấu các tế bào chết rụng dùng cho quá trình thực bào bởi các tế bào khác mang các thụ quan thích hợp tỉ như đại thực bào. Khi nhận diện các tế bào chết rụng, thực bào sẽ tái sắp xếp hệ thống khung tế bào của mình để có thể thay đổi hình dạng nhằm nuốt trọn lấy các tế bào chết rụng và tiêu hóa chúng. Việc xử lý các tế bào chết rụng bởi thực bào diễn ra theo một trình tự có tổ chức sao cho phản ứng sưng viêm không bị kích hoạt.

Bất hoạt quá trình chết rụng

Các gien tham gia quá trình chết rụng đã bị gỡ bỏ theo nhiều cách nhằm kiểm tra chức năng của các protein do chúng quy định. Một vài enzyme caspases, cùng với APAF-1 và FADD, bị đột biến để xác định các kiểu hình mới. Nhằm loại bỏ nhân tố hoại tử khối u (TNF), một đoạn exon bao hàm các nucleotide 3704-5364 đã bị gỡ bỏ khỏi bộ gien. Đoạn exon này mã hóa một phần của nhân tố hoại tử khối u hoàn chỉnh cũng như chuỗi dẫn đầu - đây là một đoạn protein được bảo tồn ở mức độ cao cần thiết cho proper intracellular processing. Những con chuột bị gỡ đoạn exon này phát triển bình thường và không có biểu hiện bất thường nào về hình thái cũng như về cấu trúc cơ thể. Tuy nhiên khi xét về khả năng miễn dịch trước hồng cầu cừu (SRBC - sheep red blood cells), những con chuột này gặp thiếu sót trong phản ứng tạo kháng thể; chúng tạo được mức độ IgM bình thường nhưng không tạo được mức độ IgG đáng kể.
Apaf-1 là một protein hoạt hóa caspase 9 bằng việc cắt bỏ đoạn polypeptide thừa để bắt đầu quá trình chết rụng. Vì đột biến bất hoạt gien APAF-1 sẽ giết chết sinh vật ngay từ thời kỳ bào thai, một bẫy gien được sử dụng để tạo ra một chú chuột có APAF-1 bị bất hoạt. Tức là, chức năng của gien sẽ bị làm nhiễu loạn bởi việc dung hợp các gien vởi nhau. Khi bẫy gien APAF-1 được đưa vào các tế bào, nhiều thay đổi về hình thái xảy ra như đốt sống bị nứt, các ngón không tách hoàn toàn khỏi nhau và não bị hở ra ngoài. Thêm vào đó, sau ngày thứ 12,5 của thai kỳ, cấu trúc não của phôi chuột có những thay đổi. Đáng chú ý là các tế bào APAF-1 lại được bảo vệ khỏi các yếu tố kích hoạt chết rụng như chiếu xạ.
Một chú chuột bị bất hoạt BAX-1 có não trước bình thường nhưng quá trình tự hủy tế bào ở một số nơi trong tủy sống suy giảm khến số tế bào thần kinh vận động tăng lên.
Enzyme caspase là một phần không thể thiếu của quá trình chết rụng, vì vậy việc bất hoạt gien mã hóa chúng gây ra các hậu quả với mức độ nghiêm trọng khác nhau. Bất hoạt caspase 9 khiến cấu trúc não trở nên bất bình thường một cách nghiệm trọng. Bất hoạt caspase 8 dẫn đến ngưng hoạt động hệ tuần hoàn và gây tử vong cho bào thai. Tuy nhiên với kỹ thuật tái tổ hợp cre-lox thì những cá thể chuột bị bất hoạt caspase 8 có thể sống sót và trong các cá thể này mức độ tế bào T thứ yếu tăng cao, kết quả của một phản ứng tế bào T thiếu hoàn thiện, cùng với a defect in neural tube closure. Đáng chú ý là những chú chuột này có tính đề kháng cao với quá trình chết rụng điều tiết bởi CD95, TNFR, vân vân nhưng không cao đối với quá trình chết rụng tạo bởi bức xạ tia cực tím, hóa trị và các yếu tố kích thích khác. Cuối cùng bất hoạt a caspase 3 tạo ra những nhóm tế bào bất thường ở não cùng với các biểu hiện bất thường trong việc chết rụng như trong quá trình hình thành chỗ phồng hay phân rã nhân.
Điểm đặc biệt của những con chuột bị loại bỏ gien trên là các kiểu hình của chúng nằm trong một khoảng rất hạn chế: cá thể bất hoạt Casp3, 9, APAF-1 có mô thần kinh dị thường còn chuột bất hoạt FADD và Casp 8 gặp những khiếm khuyết trong quá trình phát triển tim. Tuy nhiên các cơ quan còn lại vẫn phát triển bình thường và một số tế bào vẫn nhạy cảm với các yếu tố kích hoạt chết rụng - điều này chứng tỏ có những chu trình chết rụng khác tồn tại.

Quá trình chết rụng bị sai hỏng

Có nhiều kiểu chu trình chết rụng bao hàm nhiều thành phần hóa học khác nhau, và nhiều phần trong đó chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Vì đây là một chu trình mang tính tương đối liên tục trong tự nhiên, nó là một "nạn nhân" của tính nhân quả: loại bỏ hay thay đổi, chỉnh sửa một phần trong chu trình sẽ kéo theo một loạt những thay đổi ở những phần khác. Những sự thay đổi đó xảy ra trong cơ thể sống có thể sẽ dẫn đến những thảm họa như bệnh tật và rối loạn chức năng trong cơ thể. Bàn luận về tất cả các bệnh gây ra bởi sự thay đổi của các chu trình chết rụng có thể là thiếu thực tế, nhưng ý niệm chung của tất cả chúng là như nhau: chức năng bình thường của chu trình bị nhiễu loạn khiến tế bào mất khả năng thực thi quá trình chết rụng một cách bình thường. Điều này khiến các tế bào sống quá "hạn chết" của chúng và khi các tế bào già cỗi ấy sinh sôi nảy nở chúng truyền lại toàn bộ những khiếm khuyết trong tuổi già lại cho các tế bào con cháu; như vật là khả năng các tế bào này trở thành tế bào ung thư hay tế bào bệnh tật tăng lên đáng kể.
Một ví dụ của ý niệm này là quá trình phát triển của một bệnh ung thư phổi mang tên NCI-H460. Protein ức chế quá trình chết rụng liên kết với X (X-linked inhibitor of apoptosis protein, XIAP) biểu hiện quá mức trong dòng tế bào H460. XIAP bám vào các caspase-9 và ngăn cản tác động hoạt hóa chết rụng của cytochrome c, vì vậy việc biểu hiện quá mức của XIAP khiến số lượng chất kích thích chết rụng bị suy giảm. Hậu quả của việc này là tác nhân ức chế chết rụng lấn lướt các tác nhân kích thích và tế bào già cỗi tiếp tục sống và sinh sản dù đáng lẽ chúng phải chết từ lâu rồi.
Điều tiết bất thường của p53
Protein ức chế khối u p53 tích tụ khi ADN bị hư hỏng do một chuỗi nhân tố hóa sinh. Một phần của chu trình này bao gồm protein alpha và beta-interferon, chúng có chức năng kích thích sự phiên mã gien p53 và sản sinh protein này khiến hàm lượng p53 tăng và thúc đẩy quá trình chết rụng của tế bào ung thư. Protein p53 ngăn chặn tế bào nguyên phân bằng cách chặn chu kỳ tế bào tại giai đoạn G1 hay kỳ gian phân, điều này giúp tế bào có thêm thời gian để sửa chữa sai hổng, tuy nhiên p53 sẽ kích thích chết rụng tế bào nếu sai hỏng của nó quá nặng và không có khả năng sửa chữa. Bất kỳ sai sót nào trong sự điều tiết hoạt động của p53 hay các gien mã hóa interferon sẽ dẫn đến quá trình chết rụng bị suy giảm và khối u trong cơ thể hình thành.

Ức chế sự chết rụng

Việc ức chế chết rụng có thể dẫn đến nhiều loại bệnh ung thư, bệnh tự miễn dịch, bệnh sưng viêm và bệnh do nhiễm virút. Ban đầu việc số lượng các tế bào tăng bất thường và tạo ra khối u được tin là do việc sinh sôi nảy nở của tế bào tăng mạnh; tuy nhiên bây giờ các nghiên cứu cho thấy việc suy giảm tốc độ chết của tế bào cũng là nguyên nhân của hiện tượng này. Loại bệnh phổ biến nhất trong nhóm này là ung thư, một căn bệnh trong đó tế bào sản sinh quá mức, thông thường được mô tả như là sự biểu hiện quá mức của họ protein ức chế chết rụng tế bào (IAP). Kết quả là các tế bào ác tính thể hiện sự phản hồi bất bình thường đối với các kích thích chết rụng: các gien điều tiết chu kỳ tế bào (p53, ras, c-myc) bị đột biến hay bất hoạt trong các tế bào ung thư và các gien khác (bcl-2,...) cũng có biểu hiện bị thay đổi trong các khối u.

Điều trị

Phương pháp chính điều trị các bệnh trên là làm tăng cường hay suy giảm độ nhạy của các tế bào bệnh đối với các tín hiệu chết rụng, điều này phụ thuộc vào bệnh có nguyên nhân là sự gia tăng quá mức hay suy giảm của quá trình chết rụng. Tỉ như đối với các tế bào mất khả năng chết rụng thì phương pháp điều trị là phục hồi khả năng này, và đối với tình trạng chết rụng quá mức thì làm gia tăng ngưỡng chết rụng đối với tế bào. Để kích thích việc chết rụng thì có thể làm gia tăng các gốc kết hợp thụ quan chết như TNF và TRAIL, triệt tiêu các chu trình của các Bcl-2 ức chế chết rụng, hay đưa vào cơ thể các nhân tố có tác dụng bắt chước protein Smac nhằm bất hoạt các IAP. Việc đưa vào cơ thể các tác chất như Herceptin, Iressa hay Gleevec có tác dụng ngăn chặn chu kỳ tế bào và kích hoạt chết rụng tế bào bằng việc chặn các tín hiệu sinh trưởng và tồn tại tác động lên tế bào. Cuối cùng, phức hợp p53-MDM2 có thể giúp thay đổi vị trí của p53 trong tế bào và nhờ đó kích hoạt chu trình p53, dẫn đến chu kỳ tế bào bị đình trệ và quá trình chết rụng diễn ra. Nhiều phương pháp khác cũng có thể được dùng để kích thích quá trình chết rụng tế bào ở nhiều nơi trong chu trình tín hiệu chết tế bào.

Chết rụng quá mức

Ngược lại, việc mất kiểm soát quá trình chết rụng (dẫn đến chết rụng quá mức) có thể gây ra các bệnh liên quan tới tổn hại mô thần kinh, bệnh về máu và thương tổn mô nói chung. Sự phát triển của virút HIV có liên quan trực tiếp đến quá trình chết rụng quá mức và thiếu kiểm soát. Đối với một người khỏe mạnh, số lượng tế bào lympho CD4+ chết cân bằng với số CD4+ sonh ra trong tủy xương, tuy nhiên các bệnh nhân dương tính với HIV thì sự cân bằng này bị mất do tủy xương mất khả năng sản sinh CD4+. Tốc độ chết của CD4+ sẽ tăng vọt do quá trình chết rụng đã vượt quá kiểm soát.

Điều trị

Điều trị chủ yếu nhằm vào việc ức chế chết rụng bằng cách đồng thời ức chế các nhân tố kích thích chết rụng và kích hoạt các nhân tố ức chế chết rụng. Chu trình chết rụng Fas có thể bị chặn bởi protein ức chế dạng FLICE (FLICE-like inhibitory proteins - FLIP, có tác dụng ức chế các caspases-8 và -10), Bcl-2 (ngăn chặn cytochrome c bị phóng thích khỏi ti thể và ngăn caspase 9 khỏi bị kích hoạt), và CrmA (Cytokine response modifier A). Tăng cường nồng độ của các protein ức chế chết rụng IAP sẽ giúp bất hoạt một số caspase. Cuối cùng protein Akt, một enzyme loại kinase, kích thích tế bào tồn tại theo hai chu trình. Akt phospho hóa và bất hoạt Bas (một thành viên của họ protein Bcl-2), khiến Bas tương tác với 14-3-3 scaffold, dẫn đến Bcl phân rã và tế bào thoát chết. Akt cũng kích hoạt IKKα và từ đó kích hoạt NFkB giúp tế bào sống sót. NFkB sẽ kích thích các gien chống chết rụng trong tế bào.

"Chết rụng" ở thực vật

Chết tế bào được lập trình ở thực vật có nhiều điểm giống nhau ở cấp độ phân tử so với chết rụng ở động vật; tuy nhiên chúng cũng có những điểm khác mà đáng kể nhất là sự hiện diện của vách tế bào và sự thiếu hụt của một hệ miễn dịch với vai trò loại bỏ các phần của tế bào chết. Thay cho một phản ứng mang tính miễn dịch, tế bào sắp chết của thực vật tổng hợp các chất giúp phân giải chính bản thân nó và đưa các phần của tế bào vào không bào, cơ quan này sẽ vỡ ra khi tế bào chết. Việc quá trình này có giống với quá trình chết rụng của động vật ở mức độ đủ để áp dụng cái tên "chết rụng" (thay cho cái tên chung chung "Chết tế bào được lập trình" cho nó hay không đến nay vẫn chưa rõ.

Quá trình chết rụng không phụ thuộc vào caspase

Quá trình này được nhận diện trong một vài nghiên cứu về độc tính và chất độc. Các nghiên cứu cho thấy khi các dược phẩm làm tăng nồng động ion canxi trong tế bào thì canxi sẽ bám vào protease calpain gây ra chết rụng.

Dự đoán vị trí của protein chết rụng ở cấp độ dưới tế bào

Năm 2003, một phương pháp dự đoán protein chết rụng ở cấp độ dưới tế bào đã được phát triển. Ngay sau đó nhiều phương thức của kết cấu axít amin giả của Chou đã được phát triển cho việc cải thiện chất lượng của quá trình tiên đoán việc định vị các protein chết rụng ở dưới cấp độ tế bào chỉ dựa theo các thông tin về cấu trúc chuỗi polypeptide của chúng.