Nội dung

Các gene ung thư 1. Kiểm soát di truyền đối với sự tăng trưởng và biệt hóa tế bào Ung thư được hình thành khi có một dòng tế bào bị mất kiểm soát sự tăng trưởng và biệt hóa bình thường. Quá trình điều hòa tăng trưởng và biệt hóa tế bào diễn ra qua các bước sau: - Các yếu tố tăng trưởng có bản chất là polypepide đóng vai trò của các tín hiệu ngoại bào, truyền tín hiệu từ tế bào này đến tế bào khác (như yếu tố tăng trưởng có nguồn gốc từ tiểu cầu, yếu tố tăng trưởng biểu bì, các hormone steroid) tác động lên các receptor đặc hiệu trên bề mặt tế bào. - Các yếu tố tăng trưởng sau khi gắn vào các receptor đặc hiệu trên bề mặt tế bào sẽ hoạt hóa chúng, khởi động các phân tử có nhiệm vụ truyền tín hiệu đến nhân tế bào. Các phân tử truyền tín hiệu này bao gồm các protein kinase như src tyrosine kinase, protein kinase hoạt hoá mitogen (MAPK) và jun kinase (junK). Các enzyme này làm thay đổi hoạt tính của các protein đích bằng cách phosphoryl hóa. - Các protein đặc hiệu sau khi được phosphory hoá trong quá trình trên sẽ tương tác với các yếu tố phiên mã của nhân, điều hòa hoạt động của các gene đặc hiệu. Các gene này mã hóa cho các protein liên quan đến sự tăng trưởng và sinh sản tế bào. Gene mã hóa cho yếu tố phiên mã này bao gồm MYC, FOS và JUN. Mỗi tế bào liên tục bị tác động bởi các tín hiệu hoá học và phải tích hợp và xử lý tất cả các tín hiệu này để quyết định tiếp tục tăng trưởng và phân chia hay ngừng tăng trưởng để biệt hóa thành những tế bào chuyên biệt. Người ta đã nhận dạng được hơn 100 gene mã hóa các protein tham gia vào sự điều hòa tăng trưởng và biệt hóa tế bào. Các đột biến có thể xảy ra ở bất kỳ các bước nào liên quan đến quá trình điều hoà sự tăng trưởng và biệt hóa tế bào. Một tế bào ung thư sẽ nổi lên từ một quần thể tế bào đang trưởng thành thông qua việc tích tụ các đột biến ở các gene điều hòa. Tế bào mang đột biến sẽ mất đáp ứng với tín hiệu biệt hóa và cứ tiếp tục phân chia thay vì đi vào chương trình biệt hóa bình thường với hậu quả là hình thành nên khối u. Quá trình điều hòa tăng trưởng và biệt hóa tế bào 2. Gene ung thư di truyền và gene ung thư ở tế bào sinh dưỡng Mặc dù loại "ung thư có tính gia đình" đã được nhận dạng từ lâu nhưng mãi đến những năm đầu của thập kỷ 1970, người ta mới bắt đầu hiểu được mối quan hệ giữa những rối loạn chất liệu di truyền được truyền cho thế hệ sau và những sự cố sinh ung thư xảy ra trong tổ chức sinh dưỡng. Năm 1971, A.G. Knudson đã đưa ra một giả thuyết "two-hit" về cơ chế sinh ung thư khi phân tích các trường hợp ung thư nguyên bào võng mạc (retinoblastoma). Trong dạng di truyền của ung thư này, bố hoặc mẹ có thể bị bệnh và con cái có 50% khả năng nhận đột biến từ họ. Trong dạng tản phát (không di truyền), cả bố lẫn mẹ đều không bị bệnh và không làm tăng nguy cơ cho con cái họ. Một yếu tố quan trọng giúp phân biệt hai dạng này là trong ung thư võng mạc di truyền thường cả hai mắt đều bị ảnh hưởng, trong khi đó ở dạng tản phát thường chỉ có một khối u và vì vậy chỉ có một mắt bị ảnh hưởng. Knudson cho rằng phải có ít nhất hai đột biến để gây nên ung thư nguyên bào võng mạc. Đột biến thứ nhất làm thay đổi gene gây ung thư võng mạc; nếu đột biến này xảy ra ở dòng tế bào sinh dục thì nó sẽ hiện diện trong tất cả các tế bào của người con nhận allele đột biến. Đột biến thứ hai là một sự cố di truyền không đặc hiệu xảy ra trên một tế bào đã bị biến đổi trước đó. Trong trường hợp ung thư nguyên bào võng mạc có tính gia đình, toàn bộ tế bào của cơ thể đều mang sẵn một gene đột biến (đột biến tổng thể: constitutional mutation), những người mang dạng đột biến này sẽ chỉ cần thêm một sự cố đột biến bổ sung trên một nguyên bào võng mạc là đủ để tế bào này phát triển thành một dòng tế bào ung thư. Trong các trường hợp tản phát, hai loại đột biến này phải xảy ra độc lập trên cùng một nguyên bào võng mạc, đây là một tình huống ngẫu nhiên vô cùng hiếm gặp trong tổ chức võng mạc, vì vậy đứa trẻ bị ung thư võng mạc theo kiểu này khó có thể phát triển thêm khối u thứ hai. Đối với người mang đột biến di truyền gen đột biến ung thư nguyên bào võng mạc chỉ cần thêm một đột biến bổ sung trên một nguyên bào võng mạc nào đó là đủ để một khối u phát triển, khả năng xảy ra đột biến thứ hai này có thể xảy ra không chỉ ở một nguyên bào võng mạc, điều này giải thích tại sao dạng này có thể gây u ở cả hai mắt. Từ giả thuyết của Knudson có thể rút ra một nhận định quan trọng là các gene đột biến gây ung thư được di truyền có tính gia đình có lẽ cũng giống như các gene đột biến gây ra các loại ung thư phổ biến xảy ra ở các tế bào sinh dưỡng. Do đó nếu hiểu được bản chất của các allele đột biến được di truyền trong các gia đình mắc ung thư sẽ giúp chúng ta hiểu hơn về bản chất của các gene đột biến ở các tế bào sinh dưỡng gây ra những loại ung thư phổ biến và ngược lại. 3. Các nhóm gene ung thư chính Các gene ung thư được chia thành ba nhóm chính là: - Các gene bình thường ức chế sự sinh sản tế bào (gene ức chế sinh ung thư). - Các gene hoạt hóa sự sinh sản tế bào (gene gây ung thư). - Các gene tham gia vào quá trình sửa chữa DNA. Các gene ức chế sinh ung thư (tumor suppressor genes) Các gene ức chế sinh ung thư có một tính chất chung là bình thường chúng ức chế sự tăng sinh không kiểm soát của tế bào do đó ngăn ngừa ung thư. Hoạt động này thường được thực hiện qua con đường điều hòa chu kỳ sinh sản tế bào. Khi chúng bị đột biến làm mất đi khả năng kiểm soát hoạt động sinh sản của tế bào sẽ làm phát sinh ung thư. Đặc điểm biểu hiện của gene đột biến trong trường hợp này khá phức tạp. Ở mức độ cơ thể, các allele đột biến có biểu hiện kiểu di truyền trội, nghĩa là bệnh sẽ biểu hiện ở trạng thái dị hợp, nhưng ở mức độ tế bào allele đột biến này lại biểu hiện kiểu di truyền lặn, nghĩa là những tế bào mang kiểu gene ở trạng thái dị hợp sẽ không có biểu hiện bệnh. Sự phức tạp này được giải thích trên cơ sở của giả thuyết "two hit" của Knudson. Các cá thể nếu đã mang sẵn gene đột biến thứ nhất (cú "hit" thứ nhất) do di truyền thì lần đột biến thứ hai ( cú "hit" thứ hai) xảy ra ở bất kỳ một tế bào nào đó sẽ gây ra ung thư, dẫn đến kiểu di truyền trội trong biểu hiện với tính thấm (penetrance) giảm do cơ thể đã mang cú "hit" thứ nhất có thể không xảy ra cú "hit" thứ hai. Trong trường hợp cú "hit " thứ nhất chỉ xảy ra ở một tế bào nào đó trong cơ thể thì để có thể phát sinh ung thư phải có một cú "hit" thứ hai xảy ra trên cùng tế bào đó, khả năng này rất hiếm và làm xuất hiện kiểu biểu hiện di truyền lặn ở mức tế bào. Hầu hết các đột biến trên gene ức chế sinh ung thư xảy ra ở các tế bào dòng sinh dục do đó gây ra những hội chứng ung thư di truyền như trong trường hợp ung thư nguyên bào võng mạc. Một ví dụ cho sự mất khả năng kiểm soát chu kỳ sinh sản của tế bào là protein do gene RB1 trên NST 13 mã hóa (gọi là pRb) bị ức chế khi bị phosphoryl hóa bởi các enzyme kinase phụ thuộc cyclin (cyclin dependent kinases) nhưng sẽ ở trạng thái hoạt động khi không bị phosphoryl hóa một cách tương đối. Ở trạng thái hoạt động, pRb gắn với các thành viên trong phức hệ phiên mã E2F và bất hoạt chúng, phức hệ này có một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy tế bào bước vào giai đoạn S (S: synthesis), giai đoạn tổng hợp DNA trong chu kỳ tế bào cho nên khi pRb hoạt động sẽ làm đình chỉ quá trình tăng sinh tế bào. Với tính năng như vậy bình thường pRb hoạt động như một cái “hãm” cho hoạt động sinh sản tế bào và khi pRb bị bất hoạt do bị phosphoryl hóa thì hoạt động sinh sản tế bào mới bắt đầu trở lại. Khi xảy ra các đột biến làm mất chức năng của gene RB1 hoặc trong những trường hợp gia tăng sự methyl hóa vùng 5’ của gene này có thể dẫn tới tình trạng bất hoạt thường xuyên của gene, khi đó cơ chế kìm hãm hoạt động sinh sản của tế bào sẽ không còn nữa, tế bào sẽ tăng sinh không kiểm soát gây ra ung thư. Tác động phức tạp giữa các tác nhân hoạt hoá và ức chế lên chu kỳ sinh sản của tế bào để điều hoà hoạt động sinh sản của tế bào. pRb đóng vai trò như một cái "hãm" chính lên chu kỳ tế bào bằng cách gắn với phức hợp phiên mã E2F và làm ngừng tế bào trước khi vào pha S (giai đoạn nhân đôi DNA). Phức hợp cyclin D-CDK4 bất hoạt pRb bằng cách phosphoryl hóa protein này, vì thế giải phóng phức hợp E2F và cho phép tế bào thực hiện việc tổng hợp DNA để chuẩn bị cho việc nguyên phân. Các yếu tố ức chế CDK như p16 và p21 làm bất hoạt CDK, vì thế chúng cũng được xem là những bộ phận hãm khác trong chu kỳ sinh sản tế bào. p53 tác động thông qua p21, cũng có thể làm ngừng chu kỳ tế bào hoặc gây nên sự chết của tế bào theo chương trình (apoptosis) khi đáp ứng với thương tổn của DNA. Một số gene ức chế sinh ung thư mã hoá cho chất ức chế kinase phụ thuộc cyclin, do đó ức chế hoạt động của các enzyme kinase phụ thuộc cyclin bằng cách ngăn cản hiện tượng phosphoryl hoá các enzyme này và bất hoạt các yếu tố như pRb vì vậy khi các gene đó bị đột biến sẽ dẫn đến hậu quả tương tự như khi xảy ra đột biến trên gene RB1. Người ta đã phát hiện ra khoảng hơn 20 gene ức chế sinh ung thư. Đó là các gene mã hóa cho các yếu tố phiên mã (gene TP53), các yếu tố điều hòa chu kỳ tế bào (gene RB1), các yếu tố điều hoà việc tạo khung xương tế bào (gene NF2) v.v... Gene sinh ung thư (oncogene) Hầu hết các gene sinh ung thư có nguồn gốc từ các gene tiền ung thư (protooncogene). Đó là những gene liên quan đến bốn yếu tố cơ bản điều hòa sự tăng trưởng tế bào (yếu tố tăng trưởng, receptor của yếu tố tăng trưởng, các phân tử dẫn truyền tín hiệu, yếu tố phiên mã ở nhân). Khi đột biến xảy ra trong một gene tiền ung thư, gene này có thể trở thành gene sinh ung thư mà sản phẩm của nó sẽ gây ra tình trạng không kiểm soát được sự tăng trưởng và biệt hóa tế bào. Hiện tượng một tế bào chuyển từ dạng được kiểm soát sang trạng thái không được kiểm soát được gọi là hiện tượng chuyển dạng tế bào (transform). Khác với gene ức chế sinh ung thư, các gene sinh ung thư mang tính trội ở mức tế bào với kiểu đột biến tăng chức năng (gain of function), nghĩa là chỉ cần một gene bị đột biến (trạng thái dị hợp) là đã có thể gây nên sự hình thành khối u. Các gene sinh ung thư thường thấy trong các dạng ung thư tản phát do đột biến xảy ra ở tế bào sinh dưỡng. Dạng đột biến loại này xảy ra trên các tế bào sinh dục gây ra các hội chứng ung thư di truyền được gặp không phổ biến. Để xác định các gene sinh ung thư (oncogene) đặc hiệu người ta thường sử dụng ba cách tiếp cận sau: 1. Nghiên cứu retrovirus Retrovirus là loại virus RNA có khả năng sử dụng enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase) để phiên mã ngược RNA thành DNA. Bằng cách này bộ gene RNA của retrovirus có thể được chuyển thành DNA và cài vào một nhiễm sắc thể của tế bào vật chủ. Khi gây nhiễm cho vật chủ các retrovirus có thể kết hợp một gen sinh ung thư của vật chủ vào bộ gene của nó và khi xâm nhập vào tế bào của một vật chủ khác nó có thể chuyển gene sinh ung thư này vào genome của vật chủ mới, làm chuyển dạng tế bào bình thường của vật chủ thành tế bào sinh ung thư. Thông qua nghiên cúu các gene sinh ung thư được mang bởi các retrovirus gây chuyển dạng tế bào một số sản phẩm của gene có vai trò tiếp nhận và phiên giải các tín hiệu ngoại bào chi phối sự tăng trưởng và biệt hoá của tế bào đã được xác định. 2. Các thí nghiệm tải nhiễm (transfection experiment) Việc nhận dạng và xác định vai trò của các gene sinh ung thư đã được bổ sung bằng các thí nghiệm mà trong đó các dạng đột biến của các gene tiền ung thư được chuyển từ các tế bào khối u sang tế bào bình thường (tải nhiễm) làm gây chuyển dạng các tế bào nhận. Một nghiên cứu tải nhiễm đầu tiên là sự chuyển DNA từ dòng tế bào ung thư bàng quang của người vào các tế bào chuột nhắt đã làm một số tế bào nhận bị chuyển dạng hoàn toàn. Việc dòng hoá và đánh giá các chuỗi DNA đặc hiệu của người hiện diện trong tế bào chuột đã chuyển dạng cho thấy gene gây chuyển dạng là một alelle đột biến giống gene sinh ung thư Harvey RAS trước đây đã được nhận dạng qua các nghiên cứu retrovirus. Việc tìm hiểu đặc tính của protein do dạng đột biến của gene RAS mã hoá đã cho thấy một cơ chế quan trọng trong việc điều hoà sự dẫn truyền các tín hiệu nội bào. Protein RAS bình thường (do gene tiền ung thư mã hoá) tương tác với các co-factor nucleotide guanine (co-factor: chất kết hợp với enzyme để gây ra phản ứng hoá học) và chuyển đổi giữa dạng hoạt động do gắn với GTP (guanosine triphosphate) làm kính thích sự tăng trưởng