Thể nhân và sự kiểm soát thông tin di truyền trong tế bào pptx

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 m
ột 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 v
ào thành
một đối tác thực thụ trong quá trình
ki
ểm 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 l
à
sự thêm một nhóm phosphate hoặc
một nhóm methyl v
ào các acid amine
tạo nên histone. Allis và đông nghi
ệp
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 hi
ểu 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 thư
ờng 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 b
ị 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 tr
ên
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 t
ối & 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 b
ắt 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 đư
ợc 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 k
ỳ 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 h
ệ 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 c
ứu cho
rằng một histone methylase và một
protein phosphatase có liên quan đ
ến
sự kiểm soát quá trình hình thành
chất dị nhiễm sắc ở ruồi giấm. Liệu
điều này có đúng với cơ chế điều h
òa
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 nhi
ên 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,
m
ột 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 s
ự tiếp cận
của protein điều hòa với DNA để
kiểm soát biểu hiện gene.

Sử d
ụng 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 đ
ẩy 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
v
ị 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 th
ể 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.