Tổng quan về protein sốc nhiệt (HSP) và ứng dụng trong y dược

BỘ Y TẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

PHẠM THỊ THANH LOAN

TỔNG QUAN VỀ PROTEIN SỐC NHIỆT
( HSP) VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y
DƯỢC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

HÀ NỘI - 2018


BỘ Y TẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

PHẠM THỊ THANH LOAN

Mã sinh viên: 1301251

TỔNG QUAN VỀ PROTEIN SỐC NHIỆT
(HSP) VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y
DƯỢC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

Người hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Văn Rư
Nơi thực hiện: Bộ môn Hóa Sinh

HÀ NỘI – 2018

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp tôi đã nhận được rất nhiều
sự chỉ bảo, những lời khuyên hữu ích cũng như sự động viên từ các thầy cô, gia đình và
bạn bè.
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới người thầy đáng kính PGS.TS
Nguyễn Văn Rư, trưởng bộ môn Hóa Sinh- người đã tận tâm hướng dẫn, chỉ bảo tôi
trong suốt thời gian thực hiện khóa luận này. Thầy là người đã truyền cảm hứng khoa
học đến tôi, đồng thời thầy đã cho tôi rất nhiều lời khuyên hữu ích trong việc định hướng
phát triển bản thân khi làm nghiên cứu khoa học.
Tôi cũng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô của bộ môn Hóa Sinh, trường Đại Học
Dược Hà Nội. Các thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tìm hiểu và
hoàn thành khóa luận.
Tôi xin cảm ơn gia đình, những người đã luôn động viên hỗ trợ và tiếp thêm sức
mạnh để tôi vượt qua những khó khăn trong suốt thời gian thực hiện khóa luận. Tôi
muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt tới bố mẹ tôi đã luôn ủng hộ tôi trên mọi con đường tôi
đã chọn.
Tôi xin cảm ơn bạn bè đã luôn sát cánh và cho tôi những góp ý chân thành và
hữu ích nhất để tôi hoàn thiện khóa luận này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tới Ban giám hiệu – Trường Đại Học Dược Hà Nội đã
tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành quá trình học tập cũng như hoàn thiện quá
trình bảo vệ khóa luận này.
Trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 18 tháng 05 năm 2018
Sinh viên
Phạm Thị Thanh Loan


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 1
Chương 1. Tổng quan về protein và proteomics. ....................................................... 3
1.1.

Tổng quan về protein ................................................................................. 3
1.1.1. Cấu trúc .......................................................................................... 3
1.1.2. Chức năng ...................................................................................... 5

1.2.

Tổng quan về proteomics (Proteome). ...................................................... 6

Chương 2. Tìm hiểu chung về HSP. ............................................................................. 8
2.1.

Định nghĩa về HSP ..................................................................................... 8

2.2.

Lịch sử phát hiện ........................................................................................ 8

2.3.

Phân loại HSP ............................................................................................. 9

2.4.

Tác hại của nhiệt ....................................................................................... 10

2.5.

Cấu trúc của HSP và chức năng liên quan đến đáp ứng miễn dịch .......... 12

2.6. Vai trò của HSP ......................................................................................... 16
2.6.1. Vai trò như chaperon. .................................................................. 16
2.6.2. Kích hoạt các phản ứng miễn dịch ................................................. 24
2.6.3. Vai trò trong tim mạch ................................................................... 24
2.7.

Định lượng tương tác giữa HSP và peptid. .............................................. 25

Chương 3. Cochaperon và đánh giá khả năng ứng dụng trong điều trị ung thư.. 28


3.1. Đại cương về cochaperon .......................................................................... 28
3.2. Cơ chế hoạt động của HSP70 cochaperon và HSP90 cochaperon ............. 28
3.3. HSP70 cochaperon và ung thư ................................................................... 32
3.3.1. Các protein miền Bag .................................................................. 32
3.3.2. HSPBP1 ........................................................................................33
3.3.3. Protein miền J (JDP) ..................................................................... 33
3.3.4. Hop ............................................................................................... 34
3.4. HSP90 cochaperon và ung thư ................................................................... 34
3.4.1. P23 ................................................................................................34
3.4.2. Sgt1 ...............................................................................................36
3.4.3. Cdc37............................................................................................ 36
3.4.4. Aha1 ............................................................................................. 37

3.5. HSP90 tương tác với protein miền TPR. ................................................... 37
Chương 4. Bàn luận. .................................................................................................... 41
4.1. Cochaperon và ung thư ................................................................................ 41
4.2. Chaperon phân tử và cochaperon trong điều trị ung thư .............................. 42
Chương 5: Kết luận và đề xuất................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
17-AAG

Giải thích
17-allylamino-17-dememethoxy geldanomycin

AR

Androgen receptor

APC

Antigen presenting cell

Cdc37

Cell Division Cycle 37

CTL

Cytotoxic T lympho

ER

Estrogen receptor

GR

Glococorticoid receptor

HSF

Heat shock factor

HSP

Heat shock protein

JDP

J domain protein

MMP-2

Metaloproteinase-2

MR

Mineralocorticoid receptor

NBD

Nucleotid binding domain

NEF

Nucleotid exchange factor

PP5

Protein phosphat 5

PPIase

Peptidyl-prolyl-cis-trans isomerase

PR

Progesteron receptor

SBD

Substrate binding domain

sHSP

small Heat shock protein

TBD

TPR domain binding

TPR

Tetratricopeptid repeat

TTC4

Tetratricopeptid repeat 4

TTC5

Tetratricopeptid repeat 5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bốn bậc cấu trúc của protein............................................................................. 3
Hình 1.2. Sự khác nhau giữa protein chemistry và proteomics ........................................ 7
Hình 2.1. Ảnh hưởng của sốc nhiệt với tổ chức tế bào nhân thật. ................................... 11
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc miền HSP90 của nấm men (A) và HSP70 của
E. Coli (B). ..................................................................................................................... 13
Hình 2.3. Sơ đồ của SBD của DnaK (E. Coli)................................................................. 14
Hình 2.4. Mô hình động học tương tác của DnaK với cơ chất ........................................ 15
Hình 2.5. Các HSP có chức năng chaperon ...................................................................22
Hình 2.6. Sơ đồ sự dị hướng huỳnh quang để tính tương quan HSP – peptid ............... 27
Hình 3.1. Chu trình phản ứng đối với các polypeptid họ HSP70 .................................. 29
Hình 3.2. Chu trình phản ứng cho HSP90 ....................................................................... 35
Hình 4.1. Tác động tiền ung thư và ức chế ung thư của các cochaperon phân tử ........ 41


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Chức năng của protein ...................................................................................... 5
Bảng 2.1. Các loại HSP .................................................................................................... 9


ĐẶT VẤN ĐỀ
Protein sốc nhiệt (Heat shock protein- HSP) là nhóm protein đang được quan tâm
và nghiên cứu nhiều trong giới khoa học. Chúng được đánh giá là nhóm các protein có
tiềm năng ứng dụng cao với đời sống đặc biệt trong lĩnh vực Y Dược.
Theo các nhà khoa học, protein sốc nhiệt là những protein không xuất hiện ở điều
kiện bình thường mà được tế bào sinh ra trong điều kiện stress để giúp bảo vệ tế bào
khỏi các loại stress như nhiệt, lạnh, thiếu glucose, thiếu oxy… và được cho là có ứng
dụng lớn trong việc điều trị ung thư.
Ngiên cứu về protein sốc nhiệt bắt đầu từ những năm 1930, cho đến nay đã có
hàng nghìn công trình được công bố bởi các nước có nền khoa học tiên tiến như Anh,
Pháp, Mỹ, Nga… Vì vậy sự tồn tại của HSP đã được biết đến từ rất lâu. Ban đầu người
ta cho rằng protein này có thể chỉ bảo vệ tế bào khỏi bị tổn thương. Sau đó người ta nhận
thấy rằng HSP còn có một tính năng độc đáo đó là giúp tế bào hiển thị những kháng
nguyên của hệ thống miễn dịch và do đó tăng cường phản ứng miễn dịch chống khối u.
Mặc dù vậy việc điều trị ung thư sử dụng cơ chế protein sốc nhiệt vẫn chưa đạt
được nhiều tiến bộ. Cho đến đầu năm 2017, các nhà khoa học Nga tuyên bố đã tìm ra
loại thuốc có thể chữa mọi loại ung thư kể cả ung thư giai đoạn cuối dựa trên protein sốc
nhiệt. Các nhà khoa học nước này cho biết họ đã thử nghiệm tiền lâm sàng loại thuốc này
thành công trên chuột khi bị u ác tính và ghi nhận rằng protein sốc nhiệt hoạt động hiệu
quả đối với mọi giai đoạn của bệnh mà hầu như không có tác dụng phụ hoặc độc tính
nào.
Trên thế giới nghiên cứu về HSP đã vươn đến một tầm cao, tuy nhiên ở Việt Nam
HSP lại khá mới mẻ. Các nhà khoa học lớn ở Việt Nam đã và đang bắt đầu tập trung tìm
hiểu và nghiên cứu về HSP dựa trên những kinh nghiệm và kết quả đã được công bố
trên thế giới. Để có cái nhìn tổng quan hơn về HSP cũng như những ứng dụng tiềm năng
mà thế giới đã tìm thấy, nhằm mục đích tiếp nối những kết quả đã tìm được, rút ngắn

thời gian nghiên cứu đồng thời đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn của loại protein
này đối với Y Dược nước nhà, việc chúng ta cần làm trước tiên là cần có một bài tổng
quan về HSP và những ứng dụng đã được tìm thấy ở HSP.
1


Với một niềm hy vọng lớn trên con đường tìm kiếm những ứng dụng khả quan
về HSP, tôi đã thực hiện đề tại “ Tổng quan về protein sốc nhiệt (HSP) và ứng dụng
trong Y Dược” với 2 mục tiêu:
1. Tổng quan protein sốc nhiệt (HSP): định nghĩa, cấu trúc, vai trò và định lượng
tương tác giữa HSP và peptid.
2. Đánh giá được các khả năng ứng dụng của HSP trong Y Dược.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PROTEIN VÀ PROTEOMICS [1]
1.1. Tổng quan về protein
1.1.1. Cấu trúc
Protein là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân (polymer) mà
các đơn phân (monomer) là acid amin. Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ
các liên kết peptid (gọi là chuỗi polypeptid). Các chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp
theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein.
Acid amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH2), hai là
nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với 1 nguyên
tử hydro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của acid amin. Người ta đã phát hiện
ra có hơn 20 loại acid amin trong thành phần của tất cả các loại protein khác nhau trong
cơ thể sống
Trong không gian, protein có 4 bậc cấu trúc: Bậc I, Bậc II, Bậc III, Bậc IV.

Hình 1.1: Bốn bậc cấu trúc của protein [1]
3


Bậc I: Là trình tự sắp xếp các acid amin trong chuỗi polypeptid. Đầu mạch
polypeptid là nhóm amin của acid amin thứ nhất và cuối mạch là nhóm cacboxyl của
acid amin cuối cùng. Cấu trúc bậc một của protein thực chất là trình tự sắp xếp của các
acid amin trên chuỗi polypeptid. Cấu trúc bậc một của protein có vai trò tối quan trọng
vì trình tự các acid amin trên chuỗi polypeptid sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong
chuỗi polypeptid, từ đó tạo nên hình dạng lập thể của protein và do đó quyết định tính
chất cũng như vai trò của protein. Sự sai lệch trong trình tự sắp xếp của các acid amin
có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất của protein.
Bậc II: Là sự sắp xếp đều đặn các chuỗi polypeptid trong không gian. Chuỗi
polypeptid thường không ở dạng thẳng mà xoắn lại tạo nên cấu trúc bao gồm xoắn α và
nếp gấp β được cố định bởi các liên kết hydro giữa những acid amin ở gần nhau. Các
protein sợi như keratin, collagen... (có trong lông, tóc, móng, sừng) gồm nhiều xoắn α,
trong khi các protein hình cầu có nhiều nếp gấp β hơn.
Bậc III: Do cấu trúc bậc II uốn khúc lại, đặc trưng cho từng loại protein. Các
xoắn α và phiến gấp nếp β có thể cuộn lại với nhau thành từng búi có hình dạng lập thể
đặc trưng cho từng loại protein. Cấu trúc không gian này có vai trò quyết định đối với
hoạt tính và chức năng của protein. Cấu trúc này lại đặc biệt phụ thuộc vào tính chất của
nhóm -R trong các mạch polypeptid. Chẳng hạn nhóm -R của cystein có khả năng tạo
cầu disulfur (-S-S-), nhóm -R của prolin cản trở việc hình thành xoắn, từ đó vị trí của
chúng sẽ xác định điểm gấp, hay những nhóm -R ưa nước thì nằm phía ngoài phân tử,
còn các nhóm kị nước thì chui vào bên trong phân tử... Các liên kết yếu hơn như liên kết
hydro hay điện hóa trị có ở giữa các nhóm -R có điện tích trái dấu.
Bậc IV: Do nhiều chuỗi polypeptid phối hợp với nhau tạo. Các chuỗi polypeptid
liên kết với nhau nhờ các liên kết yếu như liên kết hydro.
Ví dụ về cấu trúc bậc IV: Hemoglobin (Huyết sắc tố) gồm 4 tiểu phần protein: hai tiểu
phần α và hai tiểu phần β. Nếu 4 tiểu phần tách rời nhau thì mỗi tiểu phần không thể vận

chuyển được một phân tử O2. Khi kết hợp lại thành trạng thái tetramer tạo thành một
khối không gian đặc thù gần như hình tứ diện thì mới có khả năng kết hợp và vận chuyển
khí oxy. Một phân tử hemoglobin vận chuyển được 4 phân tử oxy.

4


1.1.2. Chức năng
Bảng 1.1: Chức năng của protein [1]
Loại

Chức năng

Ví dụ về các loại protein

Cấu trúc, nâng đỡ

Collagen và Elastin tạo nên cấu trúc sợi rất bền của

protein
Protein
cấu trúc

mô liên kết, dây chằng, gân. Keratin tạo nên cấu trúc
chắc của da, lông, móng. Protein tơ nhện, tơ tằm tạo
nên độ bền vững của tơ nhện, vỏ kén

Protein

Xúc tác sinh học: Các enzym thủy phân trong dạ dày phân giải thức ăn,

enzym

tăng nhanh, chọn enzym amylase trong nước bọt phân giải tinh bột
lọc các phản ứng

chín, enzym pepsin phân giải protein, enzym lipase

sinh hóa

phân giải lipid

Protein

Điều hòa các hoạt

Hormon insulin và glucagon do tế bào đảo tụy thuộc

hormon

động sinh lý

tuyến tụy tiết ra có tác dụng điều hòa hàm lượng
đường glucose trong máu động vật có xương sống

Protein

Vận chuyển các

Huyết sắc tố hemoglobin có chứa trong hồng cầu

vận chuyển

chất

động vật có xương sống có vai trò vận chuyển Oxy
từ phổi theo máu đi nuôi các tế bào

Protein

Tham

gia

vào Actinin, myosin có vai trò vận động cơ. Tubulin có

vận động

chức

năng

vận vai trò vận động lông, roi của các sinh vật đơn bào

động của tế bào và
cơ thể
Protein

Cảm nhận, đáp Thụ quan màng của tế bào thần kinh khác tiết ra (chất

thụ quan

ứng các kích thích trung gian thần kinh) và truyền tín hiệu
của môi trường

Protein

Dự trữ chất dinh

Albumin lòng trắng trứng là nguồn cung cấp acid

dự trữ

dưỡng

amin cho phôi phát triển. Casein trong sữa mẹ là
nguồn cung cấp acid amin cho con. Trong hạt cây có
chứa nguồn protein dự trữ cần cho hạt nảy mầm.

5


1.2. Tổng quan về Proteomics (Proteome)
Từ "proteome" được cấu thành từ "protein" và "genome". Proteome của cơ thể
sinh vật là tập hợp của tất cả các loại protein được sản xuất trong suốt cuộc đời chúng,
cũng giống như khái niệm "genome" để chỉ tập hợp của các loại gen. Thời kỳ “proteome”
bắt đầu từ năm 1994 bởi Mark Wilkins và cộng sự ở Macqarie University tại Sydney,
Australia, và nó bao hàm tất cả những protein trong tế bào, mô, hay cơ quan.
Proteomics là môn khoa học rộng lớn nghiên cứu protein sản phẩm của gen,
không chỉ bao gồm tất cả các protein của một tế bào nào đó, mà còn là tập hợp của tất

cả các dạng, những protein đã được cải biến, những tương tác giữa chúng, cấu trúc không
gian và cả những phức hệ cao hơn của protein. Nghiên cứu proteomics thường được coi
như là bước tiếp theo trong quá trình nghiên cứu hệ thống sinh học.
Việc giải mã hoàn chỉnh hệ gen người là một bước tiến lớn của nền khoa học
nhưng đồng thời cũng đặt ra một thực tế là thông tin di truyền của bộ gen người cho biết
không đầy đủ chức năng của nó. Ở mức độ phiên mã, mặc dù đã đạt được những thành
tựu đáng kể trong nghiên cứu mức độ biểu hiện, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế, nhiều
vấn đề không thể giải quyết được như: sau dịch mã, đa số các protein bị biến đổi hóa
học bởi các quá trình cải biến, các tương tác protein-protein, các phản ứng với gốc
cacbohydrat, gốc photphat. Những biến đổi này đóng vai trò chủ yếu trong việc kích
hoạt chức năng của protein. Kết quả là từ một gen ban đầu có thể tìm thấy sự đa dạng
về biểu hiện, cấu trúc, và chức năng dưới nhiều loại protein khác nhau. Có nhiều nghiên
cứu cho thấy, ở người có 25.000 gen đã được nhận diện nhưng có khoảng lớn hơn
500.000 protein được tạo ra từ các gen đó. Điều này làm tăng thêm phần khó khăn với
những thay đổi do sự tác động cơ học, sự cải biến của các protein (các quá trình glycosyl
hóa, phosphory hóa) và sự biến tính của protein. Như vậy, mức độ biểu hiện gen không
phản ánh đúng về số lượng protein có hoạt tính trong tế bào.

6


Hình 1.2: Sự khác nhau giữa protein và proteomics [1]
Các nhà khoa học trên thế giới rất quan tâm đến proteomics bởi vì nó mang lại
những hiểu biết về thế giới sinh học nhiều hơn so với những hiểu biết về cấu trúc cơ thể
cũng như là hệ gen. Từ khi protein đóng vai trò trung tâm trong cơ thể sống thì
proteomics chính là công cụ hữu hiệu trong việc khám phá ra các chỉ thị sinh học, nhằm
nhận diện các loại bệnh khác nhau. Cơ thể con người thậm chí có thể có đến trên 2 triệu
loại protein, mỗi loại đóng một vai trò khác nhau. Tính chất không đồng nhất giữa các
loại protein đã cho thấy sự đa dạng của protein không thể giải thích và mô tả hoàn toàn
thông qua quá trình phân tích hệ gen. Do đó proteomics được sử dụng hữu hiệu hơn

trong việc nghiên cứu tế bào và các loại ô.
Ngành khoa học Genomics nghiên cứu hệ thống gen của sinh vật và của con
người đã phát triển thêm ngành genom - dược học (pharmacogenomics), ngành khoa
học này nghiên cứu mối liên quan giữa bộ gen (genom) với sự phát minh ra các loại
thuốc mới căn cứ trên cơ sở gen; tức là chữa bệnh bằng gen nên đã đáp ứng được hiệu
quả tốt trong điều trị.
Riêng ngành khoa học Proteomics nghiên cứu hệ thống protein của sinh vật và
của con người với 4 mục đích chính là: tìm nguyên nhân nhiều bệnh còn chưa rõ căn
nguyên, giúp chẩn đoán sớm nhiều bệnh, góp phần tối ưu trong việc điều trị nhiều bệnh
có hiệu quả, chế tạo được thuốc theo cơ chế phân tử. Trên thực tế, một trong những nội
dung ưu tiên của ngành khoa học Proteomics nghiên cứu hệ thống protein của sinh vật
và của con người là tìm hiểu và điều trị bệnh ung thư mà hiện nay còn là vấn đề chưa
được giải quyết một cách cơ bản
HSP (Heat shock protein) là một nhánh của Proteomics. Đặc điểm và ứng dụng
của chúng sẽ được tổng hợp và bàn luận trong phần Tổng quan dưới đây.

7


CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HSP
2.1.

Định nghĩa về HSP
Protein sốc nhiệt (HSP) là một họ các protein được sản xuất bởi các tế bào để đáp

ứng với những điều kiện căng thẳng (stress). Chúng được mô tả lần đầu tiên trong mối
quan hệ với cú sốc nhiệt [83] nhưng hiện cũng được thể hiện trong các cú sốc khác bao
gồm tiếp xúc với lạnh [59], tia UV [12], và trong quá trình chữa lành vết thương hoặc
thay mô [51]. Nhiều thành viên của nhóm này thực hiện chức năng chaperon bằng cách
ổn định các protein mới để đảm bảo sự cuộn gấp chính xác hoặc bằng cách giúp tái tạo

protein đã bị hư hỏng do tế bào bị stress [20]. Sự tăng biểu hiện này được điều hòa ở cấp
độ phiên mã. Sự gia tăng đột ngột các protein sốc nhiệt là một phần quan trọng của phản
ứng sốc nhiệt và được gây ra chủ yếu bởi yếu tố sốc nhiệt - heat shock factor (HSF) [116].
HSP được tìm thấy trong hầu hết các sinh vật sống, từ vi khuẩn cho đến con người.
Protein sốc nhiệt được đặt tên theo khối lượng phân tử của chúng. Ví dụ, HSP60,
HSP70 và HSP90 (các HSP được nghiên cứu nhiều nhất) để chỉ các họ của protein sốc
nhiệt theo thứ tự lần lượt là 60, 70 và 90 kilodalton [52].
2.2.

Lịch sử phát hiện
Các sinh vật đã thích nghi với nhiệt độ tăng trưởng từ điểm đóng băng của nước

tới 113 °C . Tuy nhiên, như là một stress chính, nhiệt đại diện cho một rào cản đáng kể
cho sự sống. Đối với tất cả sinh vật sống, nhiệt độ chỉ ở mức vừa phải so với nhiệt độ
tăng trưởng tối ưu tương ứng là một vấn đề thách thức cho sự sống còn.
Các thí nghiệm về ảnh hưởng của nhiệt trên ruồi giấm Drosophila đã được thực
hiện vào những năm 1930 [26]. Sự xuất hiện của các mồi nhiễm sắc thể mở rộng sau khi
sốc nhiệt cho thấy sự bắt đầu phiên mã tăng cường ở nơi đó [83]. Trong những năm tiếp
theo, việc xác định gen sao chép và các protein tương ứng là trọng tâm của nghiên cứu
stress và thuật ngữ protein shock nhiệt đã được đặt ra (Hsp). Các hiện tượng tương tự
cũng được quan sát thấy trong các sinh vật nhân sơ và các sinh vật nhân chuẩn khác, cho
thấy phản ứng sốc nhiệt là một cơ chế phổ cập và lâu đời. Từ thời điểm đó, lĩnh vực này
bắt đầu mở rộng theo các hướng khác nhau. Hai lĩnh vực điều tra chính là phân tích chức
năng của Hsps [56] và sự điều hòa trong phản ứng stress.

8


2.3.

Phân loại HSP
Các protein gây sốc nhiệt chính có hoạt động chaperon thuộc 5 lớp bảo tồn: HSP60,

HSP70, HSP90, HSP100 và các protein sốc nhiệt nhỏ (sHSP) [92]. Một số chaperon
phân tử gây ra bởi nhiệt khác như HSP33 cũng được biết đến, vì nó không phổ biến nên
chúng không được xếp vào một lớp riêng biệt
Bảng 2.1: Các loại HSP [92]
Trọng

lượng Protein

Protein trong tế bào nhân thật Chức năng

phân tử tương

trong tế bào

đối (kDa)

nhân sơ

10 kDa

GroES

Hsp10

20-30 kDa

GrpE

Nhóm HspB của Hsp. Mười
một thành viên trong động
vật có vú bao gồm Hsp27,
HSPB6 hoặc HspB1 [45]

40 kDa

DnaJ

Hsp40

Co-factor của Hsp70

60 kDa

GroEL,

Hsp60

Tham gia vào việc gấp lại

kháng

protein sau khi chuyển

nguyên

sang ty thể hoặc lục lạp

60kDa
70 kDa

90 kDa
100 kDa

Nhóm HspA của Hsp bao Gấp lại và mở rộng
gồm Hsp71, Hsp70, Hsp72, protein, giúp tế bào dung
nạp nhiệt khi tiếp xúc với
Grp78, Hsx70 chỉ có ở loài stress nhiệt. Cũng ngăn
linh trưởng
ngừa sự gấp nếp protein
trong quá trình vận chuyển
sang ty thể / lục lạp
sau dịch mã
HtpG, C62.5 Nhóm HspC của Hsp bao
Duy trì các thụ thể steroid
gồm Hsp90, Grp94
và các yếu tố phiên mã
ClpB, ClpA, Hsp104, Hsp110
Dung nạp với nhiệt độ cực
ClpX
hạn
DnaK

9


2.4.

Tác hại của Nhiệt
Một trong những khía cạnh tuyệt vời nhất của phản ứng sốc nhiệt là nó được kích

hoạt bởi một sự gia tăng nhiệt độ chỉ là một vài độ. Điều này thậm chí đúng với các sinh
vật sống ở nhiệt độ khắc nghiệt [9]. Giải pháp cho câu hỏi hóc búa này nằm ở tính năng
động của protein: chúng cần phải linh hoạt về cấu hình để thực hiện các chức năng của
chúng trong tế bào. Chúng được cải tiến để chỉ ổn định nhẹ ở nhiệt độ tăng trưởng tương
ứng. Nhiệt độ tăng nhỏ có thể gây ra hiện tượng không cuộn gấp, vướng mắc, và sự kết
tập không đặc hiệu. Nhiều ảnh hưởng hình thái và kiểu hình của stress nhiệt có thể được
giải thích bằng sự kết hợp các protein và sự mất cân bằng của sự cân bằng protein nói
chung. Do đó hợp lý để giả định rằng sự tích tụ có hại của các protein không cuộn gấp
là tín hiệu để bắt đầu các biện pháp chống lại. Nó cho thấy phản ứng sốc nhiệt được kích
hoạt bởi các protein không gấp là kết quả của nhiều stress, bao gồm stress oxy hoá, kim
loại nặng, ethanol, hoặc các chất độc hại khác [17].
Sốc nhiệt có ảnh hưởng xấu đến việc tổ chức nội bộ tế bào vượt ra ngoài sự cuộn
gấp của các protein riêng biệt [104]. Đặc biệt ở tế bào nhân thật, một trong những thiệt
hại lớn quan sát thấy trong điều kiện stress là các khiếm khuyết của bộ khung tế bào.
Stress nhiệt nhẹ dẫn đến sự tái tổ chức các sợi actin thành các sợi stress, trong khi stress
nhiệt nặng gây ra sự kết hợp của vimentin hoặc các protein mà hình thành sợi khác, dẫn
tới sự sụp đổ của mạng trung gian, actin và tubulin. Cùng với sự gián đoạn của bộ khung
tế bào, sự mất vị trí chính xác của các cơ quan và sự phân hủy các quá trình vận chuyển
nội bào cũng được quan sát thấy. Hệ thống Golgi và lưới nội chất bị phân mảnh trong
điều kiện stress và số lượng ty thể và lysosom giảm. Sự tách rời của quá trình phosphoryl
oxy hóa và sự mất ty thể có liên quan tới mức giảm ATP trong suốt quá trình chịu nhiệt.

10


Hình 2.1: Ảnh hưởng của sốc nhiệt đối với tổ chức tế bào nhân thật [104]
Một tế bào nhân thật không bị stress (trái) được so sánh với một tế bào dưới stress nhiệt

(phải). Stress nhiệt dẫn đến thiệt hại cho bộ khung tế bào, bao gồm tái tổ chức các sợi
actin (xanh) thành sợi stress và sự kết hợp của các sợi nhỏ khác (microtubuli, đỏ). Các
cơ quan như Golgi và lưới lưới nội chất (màu trắng) bị phân mảnh và tháo rời. Số lượng
và sự toàn vẹn của ty thể (xanh lá cây) và lysosom (màu vàng trắng) giảm. Các hạt nhân,
các vị trí của sự kết hợp ribosom (vàng), các lắng đọng hạt lớn bao gồm các protein
ribosom trở nên rõ ràng. Cuối cùng, có những thay đổi trong hình thái màng tế bào, sự
kết hợp của các protein màng và sự gia tăng màng tế bào. Tất cả những ảnh hưởng này
dẫn tới việc ngăn cản chu kỳ tế .
Sốc nhiệt cũng ảnh hưởng đến các quá trình của nhân tế bào. Nhìn chung, việc
tạo RNA bị ảnh hưởng mạnh bởi sốc nhiệt. Nhân tế bào, các vị trí của sự kết hợp
ribosom, và các lắng đọng hạt lớn bao gồm các RNA ribosom đã được chế biến không
chính xác [8]. Trong dịch bào, hạt stress được hình thành. Đây là các cấu trúc ARN lớn,
chứa các mRNA không phân tách, các thành phần bắt đầu chuyển dịch, và các protein
khác ảnh hưởng đến chức năng mRNA [70]. Sự hình thành của chúng tương quan với
sự giảm dịch toàn thể, một trong những dấu hiệu đầu tiên của phản ứng sốc nhiệt. Cuối
cùng, ngoài protein và RNA, màng tế bào có thể bị ảnh hưởng nặng nề do sốc nhiệt. Sự
thay đổi hình thái màng tế bào được quan sát cùng với sự thay đổi tỷ lệ protein và lipid
và sự lưu thông của màng [47]. Sự thẩm thấu màng tăng cường dẫn đến sự giảm pH dịch
bào và sự thay đổi cân bằng nội môi ion.
Cùng với đó, những ảnh hưởng này dẫn tới việc ngăn trở chu kỳ tế bào và ức chế
của sự tăng trưởng và phát triển. Tùy thuộc vào thời gian và mức độ nghiêm trọng của
sốc nhiệt, sự tích tụ khuyết tật có thể dẫn đến sự chết của tế bào. Điều quan trọng là, nếu
11


sốc nhiệt không gây chết người, nó có thể dẫn đến khả năng chịu đựng những stress
nghiêm trọng hơn và có khả năng chịu đựng cả các stress gây chết người khác. Mức tăng
Hsp được tổng hợp để đáp ứng các điều kiện stress là cơ sở cho sự chống lại này. Điều
thú vị là “ sự bảo vệ chéo” có thể xảy ra: Hsp gây ra bởi một loại stress cung cấp sự bảo
vệ chống lại những stress khác [54].

2.5.

Cấu trúc của HSP và chức năng liên quan đến đáp ứng miễn dịch
HSP có liên quan đến việc kích thích và tạo ra cả miễn dịch bẩm sinh và miễn

dịch đáp ứng. HSP có khả năng gắn với các peptid kháng nguyên và giao cho các APC
(tế bào trình diện kháng nguyên) - đây là nền tảng của việc tạo ra đáp ứng tế bào lympho
T của peptid cả ở invitro và invivo. HSP có mặt ở mọi nơi, chúng có mặt trong tất cả các
sinh vật và trong các khoang tế bào khác nhau, chức năng ưu việt của chúng là gấp lại
và mở rộng protein [56] . Từ quan điểm miễn dịch học, HSP đã được cho rằng có liên
quan đến việc kích thích hệ thống miễn dịch tự nhiên và miễn dịch đáp ứng [97]. Như
vaccin, HSP tham gia vào các thử nghiệm lâm sàng pha II và III đối với liệu pháp miễn
dịch ung thư [98] Cơ sở cấu trúc của liên kết peptid và mô hình động học của sự tương
tác các phối tử được hiểu cho 1 số thành viên của họ HSP đặc biệt là HSP70 và HSP90
nhưng làm cách nào các HSP có thể ảnh hưởng đến các chức năng miễn dịch vẫn còn
chưa rõ ràng. Mặc dù các họ HSP khác nhau không liên quan tới cả di truyền và hóa
sinh nhưng lại có 1 sự đồng nhất đáng kể trong các thành viên của cùng 1 họ HSP [54].
Tuy nhiên điều này đã dẫn đến giả định sai lầm rằng tất cả các HSP được tạo ra công
bằng và có cùng hiệu quả sinh học. HSP70 của vi khuẩn dường như kích thích được đáp
ứng miễn dịch bẩm sinh mạnh mẽ hơn HSP70 của người, từ đó nhấn mạnh rằng các biến
thể phát sinh loài có thể chịu trách nhiệm về kết quả sinh học khác nhau [24]. Việc hiểu
biết về tương tác giữa HSP- peptid ảnh hưởng đến sự hiểu biết về vai trò của HSP trong
phản ứng miễn dịch đáp ứng.
HSP90 có 3 miền cấu trúc (hình 2.2 A) gồm:
+ Miền liên kết nucleotid đầu N (NBD- nucleotid binding domain) , nó cũng liên kết với
các chất ức chế HSP90 [79] và có thể liên kết với các peptid [25]
+ Phần trung gian tương tác với protein khác
+ Miền đầu C
12

Ngược lại HSP70 có 2 miền (hình 2.2 B):
+ Đầu N (NBD) 44kDa có hoạt tính ATPase và liên kết với cochaperon HSP70
+ Đầu C 27kDa bao gồm SBD và vùng “nắp” . Hai miền này được kết nối bởi 1 liên kết
bảo tồn [41], quan trọng cho sự kết nối giữa các miền bên trong.

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc miền HSP90 của nấm men (A) và HSP70 của E.Coli (B) [79]
HSP90 có đầu N –NBD (màu xanh lá cây) có thể chứa 1 thành phần gắn kết peptid.
Phân đoạn giữa (màu vàng) tương tác với protein và cũng đóng góp một vòng lặp xúc
tác sự thủy phân ATP. Miền đầu C (màu đỏ). HSP70 có 2 miền chính: đầu N-44kDa của
NBD( màu xanh lá cây) và miền đầu C 27kDa (màu vàng và đỏ). Khu vực này bao gồm
miền liên kết cơ chất chính (màu vàng 18kDa), vùng nắp xoắn ốc α (màu đỏ, 10kDa).
Cả 2 phân tử (HSP90 và HSP70) đều có 1 vùng liên kết màu xanh được cho là có vai
trò làm trung gian giữa các miền phụ chính.
Cơ sở kết cấu của sự liên kết peptid được hiểu rõ nhất đối với HSP70 vì cả cấu
trúc tinh thể [101] và dung dịch của SBD của HSP70 đã tạo phức hợp với một peptid
mô hình (NRLLLTG) đã được tìm thấy. HSP70 có một vị trí gắn kết peptid với một
kênh kị nước bao bọc bởi một vòm cung cho phép tiếp cận với peptid (hình 2.3) .

13


Hình 2.3: Sơ đồ của SBD của DnaK( E.Coli) [101]
Sự trình bày cấu trúc thứ cấp của SBD của DnaK trong việc thể hiện một phần không
gian được lấy từ cấu trúc tinh thể của miền đầu C gắn với peptid NRLLLTG (thể hiện
bằng màu hồng) ; SBD bao gồm các phiến nếp gấp β gồm khe liên kết peptid và vùng
nắp xoắn α. Một vòm được hình thành bởi các acid amin M404 và A429 (màu xám) bao
quanh xương sống peptid và một túi sâu được hình thành bởi acid amin V436 (xanh lá
cây) có thể chứa các chuỗi bên kị nước
Từ cấu trúc tinh thể ban đầu của SBD của DnaK (Hsp70 của Escherichia coli)

với một peptid gắn kết, Hendricksen và các đồng nghiệp đã đề xuất một mô hình cho sự
gắn kết peptid phụ thuộc vào các hoạt động dị lập thể trung gian bởi sự trao đổi nucleotid.
Việc công bố gần đây của phân tử HSP70 hoàn chỉnh đầu tiên xác nhận mô hình này.
Gắn ATP sẽ mở nắp xoắn và cho phép peptid tiếp cận đến khoang cơ chất (vị trí gắn cơ
chất) . Sau khi thuỷ phân ATP tạo ADP nắp được đóng lại, dẫn đến tốc độ và tỉ lệ peptid
chậm hơn. Sẽ không đúng khi nghĩ về trạng thái ATP là "mở" và trạng thái ADP là
"đóng" bởi vì cả hai trạng thái tồn tại với một trong hai nucleotid gắn kết, nhưng sự cân
bằng năng lượng là sự chuyển dịch giữa 2 trạng thái: trạng thái "mở" (ái lực peptid thấp)
tức trong trạng thái ATP và trạng thái "đóng" (ái lực peptid cao) tức trong trạng thái
ADP (hình 2.4).

14


Hình 2.4: Mô hình động học tương tác của DnaK với cơ chất [101]
(A): sự tương tác ban đầu của peptid với DnaK trong cấu trúc "mở" kích thích sự thủy
phân ATP bằng DnaJ và sự bẫy của peptid. Sự trao đổi nucleotid do GrpE tạo ra cho
phép tái lập ATP và tương tác với một cơ chất mới.
(B): mô hình các trạng thái ATP và ADP của DnaK. Ở cả hai trạng thái, miền ràng
buộc cơ chất mở và đóng theo định kỳ, sự khác biệt chủ yếu là tỷ lệ chuyển đổi giữa hai
trạng thái. Kích thước của các biểu tượng đại diện cho tần số tương đối của một cấu
hình nhất định trong một quần thể các protein DnaK
Một số loại tương tác góp phần vào việc liên kết với cơ chất của HSP70. Các
liên kết hydro hình thành giữa bộ khung peptid và hai trong số các vòng của SBD. Tương
tác Vander Waals giữa dư lượng chuỗi peptid bên và bề mặt khe hở liên kết với cơ chất
của liên kết peptid với HSP70. Đây là những liên kết mạnh nhất ở một acid amin đơn kị
nước (V436 ở E. coli) tạo ra một túi sâu được thiết kế phù hợp để chứa các chuỗi lớn kị
nước như leucin (vị trí xác định 0, L4 (đậm) trong NRLLLTG) (hình 2.3). Một vòm
được hình thành bởi các đoạn acid amin M404 và A429 bao quanh khung peptid gắn kết
15

thông qua tiếp xúc với acid amin ở các vị trí -1 và +1. Có một số điểm tương đồng với
sự liên kết peptid bởi các phân tử MHC lớp I, vì HSP70 cũng liên kết với các peptid
trong một cấu trúc mở. Tuy nhiên, các phân tử MHC loại I có hai túi để gắn kết peptid,
có thể giữ lại các acid amin ở hai đầu của peptid và đảm bảo độ dài của peptid là nhất
định. HSP70 chỉ có một túi (V436 trong E. coli), cho phép nó liên kết các peptid có
chiều dài từ bảy đến hàng trăm acid amin.
Một điểm quan trọng cần lưu ý là HSP70 tương tác với các chuỗi polypeptid
không gấp , với một số ngoại lệ như gen ức chế khối u p53. Trong một chuỗi polypeptid
không gấp, HSP70 liên kết với các chuỗi peptid ngắn bao gồm một lõi của năm acid
amin kị nước được bao bọc bởi các acid amin cơ bản. Những trình tự này xảy ra với mỗi
30 đến 40 acid amin trong hầu hết các protein nhưng ở trạng thái gấp lại tự nhiên của
chúng thì không thể tiếp cận với HSP70, mà bị chôn trong lõi kị nước. Do đó, đối với
HSP70 tham gia vào quá trình xử lý và trình bày kháng nguyên, phần lớn các phối tử
của nó cần phải là các chuỗi peptid hoặc các chuỗi polypeptid không gấp, nghĩa là được
xử lý trái ngược với các protein tự nhiên. Điều này trở nên quan trọng khi xem xét vai
trò sinh lý của HSP trong trình bày kháng nguyên.
2.6.

Vai trò của HSP

2.6.1. Vai trò như chaperon
Một số protein gây sốc nhiệt có chức năng như chaperon trong tế bào cho các
protein khác. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong sự tương tác protein-protein như
gấp lại và hỗ trợ tạo ra hình dạng protein thích hợp và ngăn ngừa sự kết hợp protein
không mong muốn. Bằng cách giúp ổn định một phần các protein không gấp, HSP giúp
vận chuyển các protein qua các màng trong tế bào [111].
Các protein sốc nhiệt đi kèm các protein tế bào khác, bảo vệ chúng khỏi bị lạc
đường, cuộn gấp không đúng cách hoặc lắp sai trong khi tạo thành các khối lớn hơn.

Protein là những phân tử thực thi các chức năng của sự sống, và để tạo ra những protein
với đầy đủ chức năng, tế bào phải thực hiện những quá trình cực kỳ nghiêm ngặt. Nhờ
hoạt động của những siêu cấu trúc gọi là ribosom, những acid amin được nối lại thành
các chuỗi polypeptid không phân nhánh. Mỗi chuỗi polypeptid này sau đó được cuộn
chặt để thành một hình dạng với bề mặt đặc trưng và cần thiết của mỗi phân tử protein.
16


Thông tin quyết định việc tạo hình chính xác từng vị trí là nằm ở trình tự của chuỗi acid
amin, trình tự này đã được dịch mã tương ứng từ thông tin di truyền trên mRNA do đã
được sao chép từ gen tương ứng. Tuy nhiên, để có thể tổng hợp một lượng protein đủ
nhanh, mỗi phân tử mRNA thường được dịch mã cùng một lúc bởi nhiều ribosom. Điều
này dễ dàng làm cho các chuỗi polypeptid mới được cuộn xoắn từng phần bám chặt lẫn
nhau vì chúng nằm quá gần và có cấu trúc giống hệt nhau. Đống protein hổ này không
thể tiếp tục cuốn xoắn bình thường và cũng không thể thực hiện các chức năng sinh học
được nữa.
Vấn đề cực kỳ phổ biến ở mọi loài sinh vật này đã được giải quyết bởi một nhóm
protein có tên là chaperon mà hiện giờ người ta đã phát hiện hơn 50 họ protein khác
nhau trong nhóm này. Việc protein tạo hình sai hoặc kết vón lẫn nhau là một mối đe dọa
đến sự tồn tại của tất cả các sinh vật sống. Do đó, tế bào đã phát triển các hệ thống kiểm
soát chất lượng protein thông qua
1) những phân tử "chaperon" giúp protein tạo hình lại và
2) các protease để phân hủy các protein sai hỏng cấu hình. Khi nhiệt độ xung
quanh tế bào tăng cao, hoạt động của chaperon và protease có thể bị quá tải do lượng
protein sai hỏng quá nhiều và hiện tượng kết vón protein lại diễn ra. Hiện tượng này rất
quan trọng trong bệnh lý vì có thể dẫn đến những bệnh liên quan hệ thần kinh như
Parkinson.
Tất cả các chaperon phân tử đều tương tác với một loạt các protein ở dạng không
gấp [10]. Để phân biệt một protein native với các non-native, có một phần hoặc toàn
phần không gấp là sự gia tăng các acid amin kị nước, một tính năng được nhận biết bởi

chaperon phân tử. Liên kết có thể xảy ra đối với các mảng kị nước, các chuỗi peptid cụ
thể, hoặc các yếu tố cấu trúc của các protein non-native. Nói chung, chaperon phân tử
không đóng góp thông tin cấu trúc cho việc cuộn gấp, nhưng ngăn ngừa các tương tác
liên phân tử không mong muốn. Chúng làm điều này thông qua liên kết có kiểm soát với
các protein non-native và giải phóng chúng, thường được thực hiện bằng sự thay đổi ái
lực của chaperon với cơ chất của nó. Sự thay đổi giữa ít nhất hai trạng thái ái lực được
kiểm soát bởi sự gắn kết và thủy phân của ATP trong hầu hết các họ chaperon, ngoại trừ

17