American Journal of Physiology - Cell Physiology

Oxit nitric khác với hầu hết các chất truyền tín hiệu liên bào vì nó khuếch tán nhanh chóng và đồng nhất qua hầu hết các mô mà không bị phản ứng nhiều, nhưng không thể được vận chuyển qua hệ mạch do bị phân hủy nhanh bởi oxyhemoglobin. Sự khuếch tán nhanh chóng của oxit nitric giữa các tế bào cho phép nó tích hợp cục bộ các phản ứng của mạch máu với độ nhiễu, điều chỉnh tính dẻo synap trong các tế bào thần kinh và kiểm soát hành vi dao động của các mạng lưới thần kinh. Oxit nitric không nhất thiết chỉ tồn tại trong thời gian ngắn và về bản chất không phản ứng mạnh hơn oxy. Độ phản ứng của oxit nitric tự nó đã được ước lượng quá mức trong môi trường phòng thí nghiệm vì không có cơ chế nào để loại bỏ oxit nitric. Oxit nitric tồn tại trong dung dịch trong vài phút ở nồng độ micromolar trước khi phản ứng với oxy để tạo ra các chất oxy hóa mạnh hơn như nitrogen dioxide. Trong cơ thể sống, oxit nitric bị loại bỏ chỉ trong vài giây qua sự khuếch tán hơn 100 micromet qua các mô để vào hồng cầu và phản ứng với oxyhemoglobin. Độc tính trực tiếp của oxit nitric tương đối khiêm tốn nhưng được tăng cường lớn khi phản ứng với superoxide để tạo thành peroxynitrit (ONOO-). Oxit nitric là phân tử sinh học duy nhất được sản xuất với nồng độ đủ cao để cạnh tranh với superoxide dismutase cho superoxide. Peroxynitrit phản ứng tương đối chậm với hầu hết các phân tử sinh học, làm cho peroxynitrit trở thành chất oxy hóa chọn lọc. Peroxynitrit biến đổi tyrosine trong các protein để tạo ra nitrotyrosines, để lại dấu vết có thể phát hiện trong cơ thể sống. Việc nitrat hóa các protein cấu trúc, bao gồm neurofilaments và actin, có thể làm gián đoạn sự lắp ráp filament với những hậu quả bệnh lý nghiêm trọng. Các kháng thể chống lại nitrotyrosine đã phát hiện ra sự nitrat hóa trong xơ vữa động mạch người, thiếu máu cơ tim, phổi bị nhiễm trùng và căng thẳng, bệnh viêm ruột, và xơ cứng teo cơ bên.

Ty thể là trung tâm của chuyển hóa năng lượng tế bào, là nơi sản sinh hầu hết ATP. Canxi là một điều hòa viên chính của chức năng ty thể và tác động ở nhiều cấp độ bên trong bào quan này để kích thích tổng hợp ATP. Tuy nhiên, sự điều tiết không đúng của cân bằng nội môi Ca²⁺ trong ty thể hiện đang được công nhận là đóng vai trò then chốt trong vài bệnh lý. Ví dụ, quá tải Ca²⁺ trong dịch nền ty thể có thể dẫn đến tăng cường sản xuất các gốc oxy tự do, kích hoạt lỗ chuyển hóa thấm, và giải phóng cytochrome c, dẫn đến quá trình apoptosis. Mặc dù đã có những tiến bộ về vai trò độc lập của cả Ca²⁺ và rối loạn chức năng ty thể trong bệnh tật, các cơ chế phân tử mà Ca²⁺ có thể gây ra rối loạn chức năng ty thể vẫn còn mơ hồ. Bài đánh giá này nêu bật sự cân bằng tinh tế giữa các tác động tích cực và tiêu cực của Ca²⁺ và các sự kiện tín hiệu làm rối loạn sự cân bằng này. Tổng thể, một giả thuyết “hai lần tác động” được phát triển, trong đó Ca²⁺ cộng với một kích thích bệnh lý khác có thể gây ra rối loạn chức năng ty thể.

Các tế bào có thể tồn tại khi bảo quản ở nhiệt độ thấp như -196 độ C trong nhiều thế kỷ. Thách thức là xác định cách mà chúng có thể sống sót cả trong quá trình làm lạnh đến nhiệt độ như vậy và sự trở lại sau đó điều kiện sinh lý. Một yếu tố chính là liệu chúng có bị đóng băng bên trong tế bào hay không. Chúng sẽ đóng băng nếu quá trình làm lạnh quá nhanh, vì khi làm lạnh nhanh, lượng nước trong tế bào bị loại bỏ không đủ qua thẩm thấu để loại bỏ sự siêu đông lạnh. Các phương trình đã được phát triển mô tả động học của việc mất nước này và cho phép một người dự đoán khả năng đóng băng nội bào phụ thuộc vào tốc độ làm lạnh. Những dự đoán này phù hợp tốt với các quan sát. Mặc dù việc tránh đóng băng nội bào thường là cần thiết cho sự sống sót, nhưng điều đó không đủ. Việc đông lạnh chậm cũng có thể gây tổn thương. Khi băng hình thành ra ngoài tế bào, môi trường không bị đông lạnh còn sót lại tạo thành các kênh có kích thước giảm dần và nồng độ dung dịch tăng lên. Các tế bào nằm trong các kênh này và co lại do nước thẩm thấu phản ứng với nồng độ dung dịch tăng. Các lý thuyết trước đây đã quy trách nhiệm cho tổn thương đông lạnh chậm cho nồng độ dung dịch hoặc sự co lại của tế bào. Tuy nhiên, các thí nghiệm gần đây cho thấy thiệt hại chủ yếu do sự giảm kích thước của các kênh không bị đông lạnh. Quan điểm mới này về cơ chế tổn thương do đông lạnh chậm nên giúp phát triển các quy trình bảo quản tập hợp tế bào phức tạp có ý nghĩa sinh học, y tế và nông nghiệp.

Hệ thống renin-angiotensin là một thành phần trung tâm trong các phản ứng sinh lý và bệnh lý của hệ thống tim mạch. Hormone tác động chính của nó, angiotensin II (ANG II), không chỉ trung gian cho các hiệu ứng sinh lý ngay lập tức như co mạch và điều chỉnh huyết áp, mà còn tham gia vào quá trình viêm, rối loạn nội mô, xơ vữa động mạch, tăng huyết áp và suy tim sung huyết. Nhiều hiệu ứng của ANG II phụ thuộc vào thời gian (cấp tính so với mãn tính) và lên các tế bào/tissue mà nó tác động. Ngoài việc kích thích các con đường tín hiệu liên quan đến protein G và không liên quan đến protein G, ANG II qua thụ thể AT₁ thực hiện chức năng của nó thông qua các kinase MAP (ERK 1/2, JNK, p38MAPK), các kinase tyrosine thụ thể [PDGF, EGFR, thụ thể insulin], và các kinase tyrosine không phải thụ thể [Src, JAK/STAT, kinase liên kết tập trung (FAK)]. Việc kích hoạt NAD(P)H oxidase do AT₁R dẫn đến sự hình thành các loài oxy phản ứng, được liên kết rộng rãi trong viêm mạch và xơ hóa. ANG II cũng thúc đẩy sự kết hợp của các protein tạo khung, như paxillin, talin, và p130Cas, dẫn đến sự gắn kết tập trung và hình thành ma trận ngoại bào. Những cascades tín hiệu này dẫn đến co thắt, sự tăng trưởng tế bào cơ trơn, phì đại và di chuyển tế bào, những sự kiện góp phần vào chức năng mạch máu bình thường và tiến triển của bệnh tật. Bài đánh giá này tập trung vào cấu trúc và chức năng của các thụ thể AT₁ và các cơ chế tín hiệu chính mà qua đó angiotensin ảnh hưởng đến sinh lý và bệnh lý của hệ tim mạch.

Kính hiển vi huỳnh quang là một trong những công cụ mạnh mẽ nhất để làm sáng tỏ các chức năng tế bào của protein và các phân tử khác. Trong nhiều trường hợp, chức năng của một phân tử có thể được suy ra từ sự liên kết của nó với các phân đoạn nội bào hoặc các phức hợp phân tử cụ thể, điều này thường được xác định bằng cách so sánh sự phân bố của một phiên bản được đánh dấu huỳnh quang của phân tử với một thăm dò thứ hai, được đánh dấu bổ sung. Mặc dù có thể nói rằng ứng dụng phổ biến nhất của kính hiển vi huỳnh quang trong nghiên cứu y sinh là các nghiên cứu đánh giá sự “đồng vị trí” của hai thăm dò, nhưng rất ít nghiên cứu được định lượng, mặc dù có một sự đa dạng về các công cụ phân tích ảnh đã được phát triển đặc biệt cho mục đích đó. Tại đây, chúng tôi cung cấp một hướng dẫn để phân tích sự đồng vị trí trong các nghiên cứu sinh học tế bào, nhấn mạnh ứng dụng thực tiễn của các công cụ định lượng hiện đang có sẵn rộng rãi trong phần mềm phân tích ảnh thương mại và miễn phí.

Polyamine là các cation hữu cơ phổ biến có trọng lượng phân tử thấp. Nội dung của những amine này được điều chỉnh chặt chẽ bởi tế bào theo trạng thái phát triển. Các phản ứng chịu trách nhiệm cho sự tổng hợp sinh học và sự chuyển hóa của polyamine cũng như tiền chất putrescine của chúng được mô tả, và những phương tiện mà qua đó nội dung polyamine có thể thay đổi để phản ứng với các kích thích ngoại sinh được thảo luận. Vai trò của polyamine trong chu kỳ tế bào, phân chia tế bào, tăng trưởng mô và sự phân hóa được xem xét. Các nghiên cứu gần đây sử dụng các chất ức chế rất đặc hiệu của sự tổng hợp polyamine như alpha-difluoromethylornithine để ngăn chặn sự tích tụ của polyamine đã chỉ ra rằng việc tổng hợp polyamine gắn liền với những quá trình này. Các chất ức chế như vậy có tiềm năng lớn cho việc điều tra vai trò tế bào của polyamine.

Đã được khẳng định chắc chắn rằng sự hấp thụ nhanh chóng Ca2+ bởi ti thể từ nhiều nguồn khác nhau được điều hòa bởi một uniporter cho phép vận chuyển ion theo gradient điện hóa của nó. Nhiều cơ chế của sự vận chuyển Ca2+ ra khỏi ti thể cũng đã được thảo luận rộng rãi trong tài liệu. Ti thể được cung cấp năng lượng phải tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể để vận chuyển Ca2+ ngược lại so với gradient điện hóa từ không gian ma trận ra không gian bên ngoài. Hai cơ chế riêng biệt đã được phát hiện để điều hòa quá trình vận chuyển này: một trao đổi Ca2+/nNa+ và một cơ chế thoát Na(+)-độc lập. Các cơ chế thoát này được xem xét từ góc độ năng lượng có sẵn. Ngoài ra, cũng có thể xảy ra sự gia tăng tính thấm của màng trong do Ca2(+)-gây ra có tính hồi phục. Sự kích thích của quá trình chuyển đổi tính thấm này được đặc trưng bởi sự phình to của ti thể, sự rò rĩ với các ion nhỏ như K+, Mg2+, và Ca2+, và sự mất điện thế màng ti thể. Đã có đề xuất rằng sự chuyển đổi tính thấm và sự đảo ngược của nó cũng có thể hoạt động như một cơ chế thoát Ca2+ của ti thể dưới một số điều kiện nhất định. Các đặc điểm của mỗi cơ chế này được thảo luận, cũng như các chức năng sinh lý khả năng của chúng.

Các sinh vật đa bào được ngăn cách với môi trường bên ngoài bởi một lớp tế bào biểu mô, tính toàn vẹn của chúng được duy trì bởi các phức hợp giao thoa giữa các tế bào, bao gồm các mối ghép chặt (tight junction), các mối ghép bám (adherens junction), và các desmosome, trong khi các mối liên kết khoảng trống (gap junctions) cho phép giao tiếp giữa các tế bào. Mục đích của bài đánh giá này là trình bày một cái nhìn tổng quan cập nhật về những phát triển gần đây trong lĩnh vực sinh học các mối ghép chặt. Trong một thời gian tương đối ngắn, kiến thức của chúng ta về các mối ghép chặt đã tiến hóa từ một quan điểm tương đối đơn giản về việc nó là một rào cản tính thấm trong không gian ngoài tế bào (paracellular) và một hàng rào trong mặt phẳng của màng plasma, đến việc nhận diện nó như một phức hợp đa thành phần, đa chức năng tham gia vào việc điều chỉnh hàng loạt và đa dạng các chức năng tế bào. Một nhóm các protein màng integral - occludin, claudins, và các phân tử bám giao thoa (junction adhesion molecules) - tương tác với một loạt các protein hồ (plaque proteins) của các mối ghép chặt ngày càng trở nên phức tạp không chỉ để điều chỉnh lưu lượng chất hòa tan và nước trong không gian ngoài tế bào mà còn để tích hợp các quá trình đa dạng như phiên mã gen, ức chế khối u, sự phân chia tế bào và tính đối xứng tế bào.

Yếu tố gây thiếu oxy 1 (HIF-1) là một protein heterodimeric thuộc dạng helix-loop-helix cơ bản, có liên quan đến việc kích hoạt phiên mã của các gen mã hóa erythropoietin, enzym đường phân và yếu tố tăng trưởng nội mô mạch máu trong các tế bào động vật có vú bị thiếu oxy. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đo lường hoạt động gắn DNA của HIF-1 và mức độ protein của các tiểu đơn vị HIF-1 alpha và HIF-1 beta trong các tế bào HeLa của người khi tiếp xúc với nồng độ O2 dao động từ 0 đến 20% trong điều kiện không có hoặc có mặt 1 mM KCN nhằm ức chế phosphoryl hóa oxy hóa và tiêu thụ O2 của tế bào. Hoạt động gắn DNA của HIF-1, protein HIF-1 alpha và protein HIF-1 beta đều tăng theo cấp số nhân khi các tế bào tiếp xúc với các nồng độ O2 giảm dần, với phản ứng ở một nửa mức tối đa trong khoảng từ 1.5 đến 2% O2 và phản ứng tối đa ở 0.5% O2, cả trong điều kiện có và không có KCN. Phản ứng HIF-1 mạnh nhất đối với các nồng độ O2 liên quan đến các sự kiện thiếu máu/thiếu oxy trong cơ thể. Những kết quả này cung cấp bằng chứng cho sự tham gia của HIF-1 trong việc điều hòa O2 và đại diện cho đặc trưng chức năng của cảm biến O2 có khả năng bắt đầu quá trình truyền tín hiệu thiếu oxy dẫn đến sự biểu hiện của HIF-1.

Thiệt hại đại phân tử do gốc tự do gây ra đã được nghiên cứu sâu rộng như một cơ chế của stress oxy hóa, nhưng các thử nghiệm can thiệp quy mô lớn với các chất chống oxy hóa thu hồi gốc tự do cho thấy ít lợi ích ở người. Bài tổng quan hiện tại tóm tắt dữ liệu hỗ trợ một giả thuyết bổ sung cho stress oxy hóa trong bệnh tật có thể xảy ra mà không cần gốc tự do. Giả thuyết này, được gọi là "giả thuyết redox," cho rằng stress oxy hóa xảy ra như một hệ quả của việc gián đoạn các mạch redox thiol, vốn thường hoạt động trong tín hiệu tế bào và điều hòa sinh lý. Các trạng thái redox của hệ thống thiol nhạy cảm với các chất oxy hóa hai điện tử và được kiểm soát bởi thioredoxin (Trx), glutathione (GSH), và cysteine (Cys). Hệ thống Trx và GSH được duy trì trong điều kiện ổn định, nhưng không cân bằng, do quá trình oxy hóa liên tục của thiol tế bào với tỷ lệ khoảng 0,5% tổng lượng thiol mỗi phút. Các thiol nhạy cảm với redox là yếu tố thiết yếu cho quá trình truyền tín hiệu (ví dụ, H-Ras, PTP-1B), sự gắn kết của yếu tố phiên mã lên DNA (ví dụ, Nrf-2, nhân tố nhân nơi-κB), sự kích hoạt thụ thể (ví dụ, αIIbβ3 integrin trong hoạt hóa tiểu cầu), và các quá trình khác. Các chất oxy hóa không gốc tự do, bao gồm peroxit, aldehyde, quinone, và epoxide, được sinh ra enzymatically từ cả tiền chất nội sinh và ngoại sinh và không yêu cầu gốc tự do làm trung gian để oxy hóa hoặc sửa đổi các thiol này. Do các điều kiện không cân bằng trong các con đường thiol, việc sinh ra bất thường các chất oxy hóa không gốc với tỷ lệ tương đương với oxy hóa bình thường có thể đủ để làm mất chức năng. Cơ hội đáng kể tồn tại để làm sáng tỏ các con đường kiểm soát thiol cụ thể và phát triển các chiến lược can thiệp nhằm khôi phục kiểm soát redox bình thường và bảo vệ chống lại stress oxy hóa trong quá trình lão hóa và bệnh liên quan đến lão hóa.