Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Hình mô hình không gian cấu trúc holoenzyme telomerase của người được xác định dựa vào kỹ thuật hiển vi điện tử đông lạnh (cryo-EM). Telomerase xúc tác quá trình tổng hợp DNA telomere (xanh lá cây) tại hai đầu của nhiễm sắc thể (xanh dương) để bù đắp cho việc mất mát telomere trong quá trình sao chép bộ gen. Cấu trúc này bao gồm hai thùy với chức năng khác nhau: lõi xúc tác (tím) chịu trách nhiệm cho việc tổng hợp DNA và một thùy H/ACA ribonucleoprotein (xanh ngọc, xanh lam) quan trọng cho việc sinh tổng hợp telomere và định vị đến thể Cajal (chấm đỏ phía dưới bên trái). Điều hòa hoạt động của telomerase được biết  có liên quan đến quá trình ung thư và lão hóa, do vậy việc mô phỏng lần đầu tiên cấu trúc telomerase người được cho là một đột phá quan trọng trong lĩnh vực telomerase và thiết kế thuốc dựa trên telomerase.
Nguồn: Janet Iwasa
 

Hơn 30 năm trước, khi các nhà nghiên cứu  ở Trung tâm Berkeley đại học California (UC Berkeley) khám phá ra telomerase – một enzyme có khả năng kéo dài điểm cuối của nhiễm sắc thể và ngăn chúng khỏi bị mòn đủ để giết chết tế bào, những suy đoán về chức năng của loại enzyme này trong quá trình lão hóa và ung thư đã được đặt ra, làm nổi lên khả năng tạo ra các loại thuốc để kích hoạt hay ức chế enzyme này.
 
Trong khi các loại thuốc chống lão hóa, được quảng bá là “suối nguồn tuổi trẻ”, hay các thuốc kháng ung thư dựa trên telomerase vẫn chưa xuất hiện, một công bố mới đây của các nhà khoa học Đại học UC Berkeley về bức tranh chi tiết lần đầu tiên của cấu trúc phân tử telomerase người có thể giúp khởi động nỗ lực đó, cho phép việc sàng lọc nhiều loại thuốc tác động trúng đích và thiết kế thông minh các thuốc mới.

Theo giáo sư Kathleen Collins, chuyên ngành sinh học phân tử và tế bào tại Đại học UC Berkeley, người đã nghiên cứu về enzyme này trong suốt 26 năm cho biết “Đó là một khoảng thời gian dài. và cần rất nhiều sự kiên trì”. Giáo sư Collins và giáo sư Eva Nogales, cũng là một giáo sư về sinh học phân tử và tế bào, là tác giả chính của bài báo mô tả cấu trúc phân tử 3D của enzyme telomerase của người xuất bản tuần này tên tạp chí Nature.

Một trở ngại đã từng là việc thu được mẫu tinh sạch của phân tử phức tạp này, nó bao gồm một khung sườn RNA gắn với sáu loại protein di chuyển xung quanh khi chúng thêm DNA vào điểm cuối của nhiễm sắc thể. Các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới đã tranh cãi về việc enzyme này hoạt động độc lập hay kết đôi với nhau, và làm thế nào cũng như có bao nhiêu protein xung quanh khung RNA. Nếu không có sự thống nhất với những câu hỏi này, sẽ rất khó để thiết kế một loại thuốc có thể tác động đến bộ máy phân tử để tiêu hủy hoạt tính của telomerase – điều này có thể giúp ngăn chặn loại ung thư có nguồn gốc do tăng mức độ hoạt động telomerase; hay khởi động lại telomerase, có thể kích thích cơ thể phân chia tế bào nhanh chóng sau khi cấy ghép tủy xương.

Cấu trúc được phát hiện mới đây vẫn còn thiếu những chi tiết nhỏ, nhưng kết hợp với hiểu biết về trình tự gen telomerase của người, nó có thể cung cấp đủ thông tin để bắt đầu suy nghĩ về những đích tác động tiềm năng của các loại thuốc, theo tác giả đứng đầu công trình nghiên cứu Cô Kelly Nguyễn Thị Hoàng Dương, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Miller UC Berkeley. Cô cho biết “những ảnh chụp tốt nhất trước đó về telomerase người có độ phân giải ở 30 Ångstrom; chúng tôi đã có thể tiến đến độ phân giải khoảng 7 đến 8 Ångstrom bằng việc sử dụng kỹ thuật hiển vi điện tử đông lạnh”. “Khi tôi tiến đến điểm mà có thể thấy toàn bộ các tiểu phần – chúng tôi quan sát thấy có tất cả 11 tiểu phần protein – đó là khoảnh khắc rất tuyệt vời khi quan sát thấy cách mà tất cả các tiểu phần kết hợp vừa vặn với nhau.”

Cô Kelly Nguyễn, giáo sư Collins và giáo sư Nogales đang tích cực làm việc để cải thiện độ phân giải đến 3 hoặc 4 Ångstroms – khoảng kích thước tương ứng của hai nguyên tử carbon – đủ cho việc thiết kế thuốc.

Telomerase giúp làm đầy telomere

Telomere lần đầu tiên được phát hiện ở mức độ phân tử vào cuối thập niên 70 bởi giáo sư Elizabeth Blackburn làm việc tại UC Berkeley và hiện tại bà là hiệu trưởng danh dự Viện Nghiên cứu sinh học Salk tại La Jolla, California. Làm việc với loài động vật nguyên sinh có lông mao Tetrahymena, bà và cộng sự đã cho thấy rằng điểm cuối của các nhiễm sắc thể được bao bởi một trình tự DNA lặp lại. Được trang bị kiến thức về trình tự telomere, các nhà nghiên cứu sau đó cho thấy rằng telomere trong các mô của các sinh vật đa bào trở nên ngắn hơn sau mỗi lần phân chia tế bào. Telomere bảo vệ mạch DNA khỏi sự bào mòn và bị tổn thương ở điểm cuối của chúng, giống như đầu bằng nhựa ở mỗi đầu của sợi dây giày. Việc chúng sụt giảm sau mỗi lần phân bào được cho là để bảo vệ chúng ta khỏi ung thư, khi một tế bào bị mất kiểm soát và tăng sinh không kiểm soát.  

Năm 1985 tại UC Berkeley, bà Blackburn và sinh viên cao học Carol Greid đã khám phá ra telomerase, một enzyme giúp tổng hợp DNA tại điểm cuối của nhiễm sắc thể, kéo dài chúng và làm tăng tuổi thọ của tế bào. Bà Blackburn, Greider và một cộng sự khác, Jack Szosak, đã cùng chia sẻ giải thưởng Nobel về Sinh lý học và Y khoa cho công trình khám phá telomerase.

Các nhà khoa học đã từng khám phá ra rằng, ở người và các sinh vật đa bào khác, telomerase chỉ biểu hiện ở phôi, không biểu hiện ở hầu hết các tế bào trưởng thành. Điều đó có nghĩa là hầu hết các tế bào khi mới sinh ra đã được định trước khả năng phát triển và phân chia, sau đó chúng sẽ chết. Nhiều nhà khoa học tin rằng việc thiếu hụt telomere là nguyên nhân chính của sự lão hóa.

Giáo sư Collins đã cố gắng để xác định cấu trúc của telomerase kể từ khi protein telomerase của người lần đầu tiên được khám phá vào năm 1997. Bà cùng các cộng sự dã khám phá và mô tả đặc điểm bao quát của nhiều protein trong enzyme lớn này, cũng như cấu trúc kẹp tóc của bộ khung RNA telomerase. Nhưng làm thế nào tất cả chúng có thể phù hợp với nhau là một điều bí ẩn bởi vì những kết quả mâu thuẩn từ nhiều phòng thí nghiệm khác nhau.

Kelly Nguyễn đã có khả năng phân lập enzyme này và tinh sạch chúng tốt hơn bất kì ai đã từng làm trước đó, và sử dụng một công nghệ mới, tiên tiến là kỹ thuật hiển vi điện tử đông lạnh để xác định cấu trúc của telomerase một cách rõ ràng. Kỹ thuật hiển vi điện tử đông lạnh là một kỹ thuật để xác định cấu trúc phân tử của các hợp chất mà không thể được tinh thể hóa và chụp ảnh với tia X, và những người phát triển ra kỹ thuật này đã được nhận giải thưởng Nobel Hóa học năm 2017.

Một khi nhóm nghiên cứu của UC Berkeley có được cấu trúc của telomerase, nó sẽ trở nên rõ ràng tại sao các đột biến di truyển trong một số loại protein trong telomerase tác động đến enzyme này và gây ra bệnh, cô Kelly Nguyễn cho biết. Năm 1999, giáo sư Collins đã khám phá ra căn bệnh trên người đầu tiên được gây ra bởi một đột biến trên telomerase: một đột biến trong một protein telomerase được gọi là dyskerin chịu trách nhiệm cho một căn bệnh hiếm gọi là loạn sản sừng bẩm sinh (dyskeratosis congenita). Các bệnh nhân sẽ phát triển thiếu máu cũng như các vấn đề về da và đường ruột, và hầu hết thường tử vong do suy tủy.

Theo giáo sư Collins, nguyên nhân là do có hai phân tử dyskerin bám với khung RNA không chỉ tương tác với mạng lưới các protein khác mà còn tiếp xúc với nhau, và đột biến gây ra căn bệnh này ngăn cản liên kết đó, làm tê liệt khả năng của khung RNA để tồn tại trong tế bào. Một số trẻ em mắc chứng loạn sản sừng bẩm sinh có mức độ telomerase vào khoảng 25% so với người bình thường và tuổi thọ chưa đến 20 năm. Những người chỉ có một nửa mức độ telomerase thông thường sẽ gặp khủng hoảng về sức khỏe ở độ tuổi trung niên.

Giáo sư Collins rất phấn khởi vì cuối cùng đã xác định được cấu trúc của telomerase và dự tính sẽ nghiên cứu nhiều hơn về quá trình gắn kết phức tạp của một trong những enyme phức tạp nhất trong cơ thể: một enzyme polymerase phức tạp như ribosome, đọc RNA để sản xuất protein.

“Tôi đã không nghĩ rằng nó sẽ phức tạp đến như vậy khi quyết định nghiên cứu phân tử này” giáo sư Collin nói. “Tôi trở nên tò mò về cách mà telomerase hoạt động từ năm 1991, khi tôi chỉ vừa mới tốt nghiệp cao học, và tôi đã tìm kiếm một hệ thống polymerase thực sự đơn giản để tìm hiểu tương tác giữa các nucleic acid. Và tôi đã nghĩ rằng, Chúa ơi người không thể đơn giản hơn thế được. Điều đó thật là siêu ngây thơ.”

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180425131846.htm