Kiểm soát chu kì tế bào, ung thư, chất ức chế khối u

Làm thế nào một tế bào bình thường được biến đổi thành một tế bào ung thư? Các protein liên quan đến điều hòa các sự kiện phân chia tế bào không còn thúc đẩy sự tiến triển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác của chu kỳ tế bào một cách thích hợp. Thay vì phát triển hoàn thiện để thực hiện các chức năng, thì các tế bào ung thư sinh sản với tốc độ vượt xa ranh giới được quy định chặt chẽ thông thường của chu kỳ tế bào.

Ung thư có thể được phân biệt với nhiều bệnh khác của con người, bởi vì nguyên nhân gốc rễ của nó không phải là thiếu hoặc giảm chức năng tế bào. Ví dụ, những người bị bệnh tiểu đường có thể thiếu sản xuất insulin hoặc khả năng đáp ứng với insulin. Với bệnh mạch vành, máu cung cấp cho tim kém có thể khiến cơ quan này cuối cùng bị hỏng.

Trong trường hợp mắc hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải (AIDS), hệ thống miễn dịch mất các tế bào cần thiết để chống lại nhiễm trùng. Và với nhiều bệnh truyền nhiễm, vi sinh vật ngoại lai tàn phá vật chủ mà chúng đã xâm nhập, gây mất chức năng trong tế bào, mô hoặc toàn bộ hệ thống cơ quan.

Tuy nhiên, ung thư xảy ra do sự thay đổi của một quá trình sinh học bình thường trong cơ thể đó là phân chia tế bào. Các tế bào tiến triển qua chu kỳ tế bào không được kiểm soát cuối cùng có thể hình thành các khối u ác tính, nơi các khối tế bào phát triển và phân chia không kiểm soát, sau đó phát triển khả năng lây lan và di chuyển khắp cơ thể.

May mắn thay, việc ngăn ngừa ung thư thường xảy ra thông qua sự điều chỉnh chặt chẽ của chu kỳ tế bào bởi các nhóm protein tương tác với nhau theo một chuỗi quá trình rất cụ thể. Chính những quá trình này quyết định liệu chu kỳ tế bào sẽ tiếp tục hay vẫn bị đình trệ giữa các giai đoạn. Cho rằng ung thư về cơ bản là một rối loạn ở cấp độ tế bào, thành tựu công nghệ nuôi cấy tế bào trong ống nghiệm, hoặc bên ngoài cơ thể nói chung, đã cho phép các nhà nghiên cứu xác định những sự kiện nào dẫn đến hình thành khối u và xác định các protein liên quan đến quá trình này. Thường được gọi là nuôi cấy tế bào hoặc nuôi cấy mô, các nhà nghiên cứu hiện nay thường xuyên nuôi cấy các tế bào được ngâm trong chất lỏng giàu chất dinh dưỡng còn được gọi là môi trường.

Các tế bào bình thường, không phải ung thư, sẽ phát triển thành một lớp đơn lẻ, không đông đúc gắn vào các đĩa nhựa. Các tế bào này thường trải qua một số chu kỳ phân chia giới hạn, tùy thuộc vào không gian và sự sẵn có của chất dinh dưỡng, trong một số các hạn chế khác. Vậy điều gì có thể xảy ra với hệ thống tăng trưởng tế bào có trật tự này? Và có thể học được gì khi mọi thứ trở nên tồi tệ? Câu trả lời cho những câu hỏi này là cơ sở cho những khám phá cơ bản của các nhà nghiên cứu về sinh học tế bào khối u. Các tế bào bất thường hoặc ung thư, được nuôi cấy trong ống nghiệm đã được biến đổi từ kiểu hình bình thường của chúng do những thay đổi di truyền ảnh hưởng đến các protein liên quan đến kiểm soát chu kỳ tế bào.

Những thử nghiệm biến đổi này đã dẫn đến việc xác định các gen và các protein quan trọng để thúc đẩy chu kỳ tế bào. Những gen này đã được đặt tên là gen sinh ung thư. Gần đây hơn, các nhà khoa học đã sử dụng những tiến bộ trong phương pháp thao tác di truyền kết hợp với thử nghiệm biến nạp để xác định các gen và protein quan trọng để hạn chế sự tiến triển của chu kỳ tế bào. Những gen này được gọi là chất ức chế khối u.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu để xác định các chất gây ung thư và các chất ức chế khối u và nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến sự tiến triển của chu kỳ tế bào. Điều quan trọng hơn nữa là hiểu được quá trình cụ thể trong đó nhiều chất gây ung thư và chất ức chế khối u phải hoạt động kết hợp để thúc đẩy sự phát triển của tế bào ung thư.

Ngay từ năm 1911, Peyton Rous đã chứng minh thông qua các nghiên cứu của mình về sự phát triển khối u ở gà rằng khả năng tạo khối u có thể được chuyển từ động vật này sang động vật khác trong các chiết xuất không có tế bào. Những chất chiết xuất này cuối cùng đã được chứng minh là có chứa virus, có khả năng thúc đẩy sự phân chia tế bào tăng lên bất thường trong vật chủ của chúng, phục vụ cho việc tăng cường sự nhân lên của chính virus.

Do đó, các quá trình tương tự được kích thích bởi sự nhân lên của virus có thể dẫn đến sản sinh khối u. Lĩnh vực virus học khối u này là công cụ để phát triển "xét nghiệm biến đổi tế bào" vẫn được sử dụng cho đến ngày nay để đánh giá sự phát triển của khối u.

Làm thế nào để các tế bào ung thư phát triển? Trong thử nghiệm, các tế bào này không còn yêu cầu tiếp xúc với bề mặt của đĩa nuôi cấy. Thay vào đó, các tế bào được biến nạp có khả năng sao chép trong thạch hoặc trong huyền phù. Khả năng này phản ánh khả năng di chuyển được tăng cường của tế bào ung thư, khả năng phá vỡ các chất xung quanh để tạo ra nhiều không gian hơn để phát triển và phân chia, và giảm sự ức chế tiếp xúc thường ngăn các tế bào trở nên quá đông đúc.

Thứ hai, các tế bào được biến đổi sẽ phát triển ở nhiều hơn một lớp, tạo ra các lớp tế bào phong phú bất thường. Trong khi các tế bào chưa được biến đổi phát triển song song theo hướng với nhau trong một lớp duy nhất, các tế bào đã biến đổi sẽ xếp chồng lên nhau theo kiểu hỗn loạn. Đặc điểm này gợi nhớ đến các tế bào ung thư đã giảm tiếp xúc chất ức chế sự phát triển.

Đặc điểm thứ ba của tế bào được biến nạp là yêu cầu của chúng đối với ít chất dinh dưỡng hơn trong môi trường. Điều này phản ánh khả năng phát triển và phân chia của tế bào khối u ngay cả khi không có yếu tố tăng trưởng. Cuối cùng, các tế bào được biến nạp đã vượt qua được hạn chế của các vòng sao chép, hạn chế được thấy ở các tế bào bình thường và về cơ bản trở thành bất tử.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng những kết quả này từ các nghiên cứu virus học ban đầu với các xét nghiệm tế bào. Trong các thí nghiệm này, họ đã lây nhiễm các tế bào nuôi cấy bằng nhiều loại virus khác nhau và sau đó tìm kiếm các "biến đổi" xảy ra.

Vì bộ gen của virus tương đối nhỏ, các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng xác định các thành phần di truyền chịu trách nhiệm cho sự biến đổi. Trên thực tế, những tế bào ung thư đầu tiên mà họ xác định có nguồn gốc từ virus và được gọi là ung thư virus. Đáng chú ý là, các nhà nghiên cứu cũng sớm nhận ra rằng nguồn gốc của các ung thư virus này đến từ các tế bào đã được virus chuyển từ tế bào này sang tế bào khác.

Cái gì sinh ung thư? Đó là những protein liên quan đến quy định chu kỳ tế bào hoạt động bằng cách kích thích sự phát triển và phân chia tế bào. Tương tự như vậy, các tế bào sinh ung thư mã hóa cho các protein có chức năng thúc đẩy chu kỳ tế bào về phía trước, thường khiến các tế bào tiến hành từ một trong các pha G (khoảng trống) sang sao chép nhiễm sắc thể (pha S) hoặc phân ly nhiễm sắc thể (nguyên phân).

Ví dụ các thụ thể ở bề mặt tế bào liên kết với các yếu tố tăng trưởng, các protein tương tác với ADN để bắt đầu sao chép và các phân tử tín hiệu liên kết các thụ thể với các chất khởi đầu sao chép thông qua nhiều con đường khác nhau.

Ở trạng thái bình thường, các gen mã hóa các protein bình thường kiểm soát các quá trình quan trọng này được gọi là proto-oncogenes. Tuy nhiên, một khi chúng bị thay đổi để trở thành ung thư, các sản phẩm protein bất thường của chúng thể hiện hoạt động tăng lên góp phần vào sự phát triển của khối u.

Do đó, thay vì dừng lại trong giai đoạn G như bình thường, một tế bào khối u tiếp tục tiến triển qua các giai đoạn tiếp theo của chu kỳ tế bào, dẫn đến sự phân chia tế bào không kiểm soát được. Ngoài ra, ung thư cũng có thể làm cho tế bào tránh khỏi quá trình chết tế bào theo chương trình.

Đôi khi, đột biến sẽ kích hoạt vĩnh viễn các protein thường hoán đổi giữa các trạng thái hoạt động hoặc không hoạt động. Ví dụ, các protein Ras hoạt động như các công tắc phân tử được bật và tắt tùy thuộc vào dạng nucleotide (diphosphate hoặc triphosphate) mà nó được liên kết.

Ở trạng thái "bật", các sản phẩm của các proto-oncogenes này chuyển tiếp các tín hiệu kích thích tăng sinh. Tuy nhiên, các vấn đề nảy sinh khi các đột biến chuyển đổi gen thành gen sinh ung thư, khiến Ras hoạt động vĩnh viễn bất kể tín hiệu tế bào nhận được là gì.

Loại biến đổi di truyền thứ hai chuyển gen thành gen sinh ung thư là chuyển đoạn nhiễm sắc thể. Điều này xảy ra khi các mảnh nhiễm sắc thể bị vỡ gắn lại một cách lộn xộn, dẫn đến sự hình thành protein dung hợp chứa đầu tận cùng N của một protein và đầu tận cùng C của một protein khác, hoặc dẫn đến sự điều hòa biểu hiện protein bị thay đổi. Một ví dụ về gen sinh ung được tạo ra bởi loại chuyển đoạn nhiễm sắc thể này là BCR / ABL, mà sản phẩm protein của nó bao gồm đầu tận cùng N của Bcr (khu vực cụm điểm đứt) và đầu cuối C của Abl, một tyrosine kinase truyền tín hiệu tăng sinh.

Nhiễm sắc thể hợp nhất được gọi là nhiễm sắc thể Philadelphia, và nó hiện diện rộng rãi ở những bệnh nhân mắc bệnh bạch cầu nguyên bào tủy mãn tính, một loại ung thư tế bào máu. Sự hình thành của protein dung hợp làm cho Abl hoạt động vĩnh viễn, dẫn đến chu kỳ tế bào không được kiểm soát.

Tuy nhiên, một phương tiện tạo ung thư khác hoàn toàn không thay đổi trực tiếp gen sinh ung thư. Thay vào đó, proto-oncogene có thể tồn tại ở nhiều bản sao trong tế bào, dẫn đến biểu hiện khuếch đại. Đây là trường hợp của c-MYC, trong đó 8 đến 30 bản sao có trong mỗi tế bào HL60, một dòng tế bào bạch cầu nguyên bào. Vì MYC là một yếu tố phiên mã, do đó, sự biểu hiện tăng lên của nó sẽ dẫn đến sự biểu hiện tăng lên của các mục tiêu phiên mã, nhiều trong số đó có chức năng thúc đẩy chu kỳ tế bào tiến về phía trước. Vì tất cả những thay đổi di truyền này đều dẫn đến tăng chức năng, nên chỉ cần một nhiễm sắc thể bị ảnh hưởng để tạo ra kiểu hình tế bào biến đổi.

Chất ức chế khối u khác nhau như thế nào? Trái ngược với chức năng kích thích tăng sinh tế bào của proto-oncogenes và oncogenes thúc đẩy chu kỳ tế bào tiến lên, các gen ức chế khối u mã hóa các protein thường hoạt động để hạn chế sự phát triển và phân chia tế bào hoặc thậm chí thúc đẩy quá trình chết tế bào theo chương trình (apoptosis).

Một trong những yếu tố được nghiên cứu rõ nhất của loại này là một loại protein được gọi là protein ung thư nguyên bào võng mạc (pRb) và gen tương ứng của nó RB1, gen ức chế khối u đầu tiên được xác định. Vì hoạt động của pRb ngăn chặn sự biểu hiện của các gen cần thiết để tiến triển vào pha S của chu kỳ tế bào, sự bất hoạt của nó cho phép phân chia tế bào không kiểm soát .

Trên thực tế, nguyên tắc này áp dụng cho tất cả các chất ức chế khối u: Những thay đổi di truyền trong gen dẫn đến sự hình thành khối u ngăn không cho protein điều hòa ức chế sự tăng sinh của tế bào. Nói cách khác, các tế bào ung thư phát triển không thể dừng lại.

Các dạng thay đổi di truyền dẫn đến bất hoạt pRb thường liên quan đến dịch chuyển khung hoặc mất đoạn trong gen RB1 gây ra sự xuất hiện sớm của codon dừng và biểu hiện protein bị lỗi. Trong một số trường hợp, biểu hiện của pRb có thể bình thường, nhưng đường dẫn mà nó hoạt động bị lỗi do các thành phần của đường dẫn khác không hoạt động. Do đó, theo định nghĩa, những thành phần khác này cũng sẽ được coi là chất ức chế khối u.

Một ví dụ khác về chất ức chế khối u, và gen đột biến phổ biến nhất trong các khối u ở người, là gen p53. Là một yếu tố phiên mã kích hoạt sự biểu hiện của các protein ức chế tăng sinh và thúc đẩy quá trình apoptosis để phản ứng với tổn thương ADN, p53 đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì điểm kiểm tra chu kỳ tế bào G1 đến S.

Các thay đổi di truyền làm bất hoạt p53 sẽ ức chế phản ứng tổn thương ADN ngăn cản sự tiến triển của chu kỳ tế bào. Khi điều này xảy ra, một tế bào tiếp tục phân chia ngay cả khi ADN bị tổn thương. Vì việc ngừng hoạt động của các chất ức chế khối u dẫn đến mất chức năng, cả bản gốc và các bản sao của gen mã hóa chất ức chế khối u thường phải được thay đổi để quá trình hình thành khối u xảy ra.