Biochemical Society Transactions

Các thuật ngữ ‘chất chống oxy hóa’, ‘căng thẳng oxy hóa’ và ‘tổn thương oxy hóa’ được sử dụng rộng rãi nhưng hiếm khi được định nghĩa. Bài tổng quan ngắn này cố gắng định nghĩa chúng và xem xét các cách mà căng thẳng oxy hóa và tổn thương oxy hóa có thể ảnh hưởng đến hành vi của tế bào cả trong cơ thể và trong nuôi cấy tế bào, sử dụng ung thư làm ví dụ.

Các tiểu thể căng thẳng (SGs) ở động vật có vú là những miền trong tế bào chất, nơi mà mRNA được phân loại một cách linh hoạt theo phản ứng với việc phosphoryl hóa yếu tố khởi đầu eukaryotic (eIF) 2α, một bước điều chỉnh quan trọng trong quá trình khởi đầu dịch mã. Việc kích hoạt một hoặc nhiều kinase eIF2α dẫn đến sự hình thành tiểu thể căng thẳng bằng cách giảm mức độ eIF2-GTP-tRNAMet, phức hợp ba thành phần thường cần thiết để tải methionine khởi đầu vào phức hợp tiền khởi đầu 48 S nhằm bắt đầu quá trình dịch mã. Tình trạng khan hiếm eIF2-GTP-tRNAMet do căng thẳng cho phép các protein liên kết RNA TIA-1 (antigen nội tại tế bào T-1) và TIAR (protein liên quan TIA-1) gắn kết với phức hợp 48 S thay cho phức hợp ba thành phần, do đó thúc đẩy sự phân tách polysome và đồng thời định hướng mRNA vào một tiểu thể căng thẳng. Sự hình thành thực sự của các tiểu thể căng thẳng xảy ra khi các đuôi C giống prion của protein TIA-1 tự động tập hợp lại; sự tập hợp này được đảo ngược in vivo bởi sự biểu hiện quá mức của protein chaperone sốc nhiệt (HSP) HSP70. Đáng chú ý, mRNA HSP70 bị loại trừ khỏi các tiểu thể căng thẳng và được dịch mã ưu tiên trong điều kiện căng thẳng, cho thấy rằng thành phần RNA của tiểu thể căng thẳng là có chọn lọc. Hơn nữa, các tác động của HSP70 lên sự tập hợp TIA gợi ý một chu trình phản hồi, trong đó tổng hợp HSP70 được tự điều chỉnh. Các protein thúc đẩy tính ổn định của mRNA [ví dụ: HuR (protein Hu R)] và không ổn định hóa mRNA [tức là tristetraprolin (TTP)] cũng được tuyển chọn vào các tiểu thể căng thẳng, cho thấy rằng các tiểu thể căng thẳng thực hiện một quá trình phân loại mRNA, bằng cách thúc đẩy sự phân tách polysome và định hướng mRNA tới các miền tế bào chất giàu HuR và TTP. Mô hình này tiết lộ những mối liên hệ giữa hệ thống kinase eIF2α, tính ổn định của mRNA và mức độ chaperone trong tế bào.

Glyoxalase I là một phần của hệ thống glyoxalase có mặt trong tế bào chất của các tế bào. Hệ thống glyoxalase xúc tác cho quá trình chuyển đổi các α-oxoaldehyde phản ứng, acyclic thành các α-hydroxyacid tương ứng. Glyoxalase I xúc tác cho việc đồng phân hóa của hemithioacetal, được hình thành một cách tự phát từ α-oxoaldehyde và GSH, thành các dẫn xuất S-2-hydroxyacylglutathione [RCOCH(OH)-SG→RCH(OH)CO-SG], từ đó làm giảm nồng độ ổn định của các α-oxoaldehyde sinh lý và các phản ứng glycation liên quan. Các chất nền sinh lý của glyoxalase I bao gồm methylglyoxal, glyoxal và các α-oxoaldehyde acyclic khác. Glyoxalase I ở người là một enzym metalloenzyme dimeric Zn2+ có khối lượng phân tử 42 kDa. Glyoxalase I từ Escherichia coli là một metalloenzyme Ni2+. Các cấu trúc tinh thể của glyoxalase I ở người và E. coli đã được xác định với độ phân giải lần lượt là 1.7 và 1.5 Å. Vị trí Zn2+ gồm hai dư lượng tương đương cấu trúc từ mỗi miền – Gln-33A, Glu-99A, His-126B, Glu-172B và hai phân tử nước. Vị trí liên kết Ni2+ bao gồm His-5A, Glu-56A, His-74B, Glu-122B và hai phân tử nước. Phản ứng xúc tác liên quan đến việc chuyển proton shielded từ C-1 đến C-2 của hemithioacetal sản sinh ra một trung gian ene-diol và nhanh chóng chuyển hóa thành sản phẩm thioester. Các enantiomer R- và S-của hemithioacetal được gắn vào vị trí hoạt động, thay thế các phân tử nước trong vỏ phối hợp chính của ion kim loại. Đã được đề xuất rằng Glu-172 là bazơ xúc tác cho enantiomer S-substrate và Glu-99 là bazơ xúc tác cho enantiomer R-substrate; Glu-172 sau đó sẽ tái proton hóa stereospecifically sản phẩm R-2-hydroxyacylglutathione. Theo tương tự với enzym ở người, Glu-56 và Glu-122 có thể là các bazơ liên quan đến cơ chế xúc tác của glyoxalase I ở E. coli. Việc ức chế glycation do α-oxoaldehyde gây ra bởi glyoxalase I là rất quan trọng trong bệnh tiểu đường và urê huyết, nơi mà nồng độ α-oxoaldehyde tăng lên. Giảm hoạt động glyoxalase I tại chỗ do quá trình lão hóa và stress oxy hóa dẫn đến tăng cường glycation và tổn thương mô. Việc ức chế glyoxalase I bằng thuốc với các chất ức chế cụ thể dẫn đến sự tích tụ của các α-oxoaldehyde lên mức độc tế bào; các chất ức chế glyoxalase I có khả năng xuyên tế bào là các tác nhân chống khối u và chống sốt rét. Glyoxalase I đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa các phản ứng glycation do methylglyoxal, glyoxal và các α-oxoaldehyde khác trong cơ thể.

Rho, Rac và Cdc42, ba thành viên của gia đình GTPase nhỏ Rho, mỗi loại đều điều khiển một con đường truyền tín hiệu liên kết các thụ thể màng với sự lắp ráp và tháo dỡ của hệ thống tế bào chất actin và các phức hợp liên kết integrin liên quan. Rho điều chỉnh sự lắp ráp của các sợi căng và điểm bám tập trung, Rac điều chỉnh sự hình thành các chồi lamellipodia và các cuộn màng, và Cdc42 kích hoạt sự mở rộng filopodia ở ngoại vi của tế bào. Những quan sát này đã dẫn đến gợi ý rằng bất kể nơi nào mà actin sợi được sử dụng để thúc đẩy một quá trình tế bào, thì GTPase Rho có khả năng đóng vai trò điều tiết quan trọng. Các GTPase Rho cũng được báo cáo là kiểm soát các hoạt động tế bào khác, chẳng hạn như các chuỗi phản ứng JNK (kinase N-terminal c-Jun) và p38 MAPK (kinase protein hoạt hóa bởi tác nhân gây tăng sinh), một phức hợp enzyme NADPH oxidase, các yếu tố phiên mã NF-κB (yếu tố hạt nhân κB) và SRF (yếu tố phản ứng huyết thanh), và sự phát triển qua G1 của chu kỳ tế bào. Do đó, Rho, Rac và Cdc42 có thể điều chỉnh hệ thống tế bào chất actin và phiên mã gene để thúc đẩy những thay đổi phối hợp trong hành vi của tế bào. Chúng tôi đã phân tích các đóng góp sinh hóa của các GTPase Rho trong chuyển động tế bào và đã phát hiện rằng Rac điều khiển sự nhô ra của tế bào, trong khi Cdc42 điều khiển tính phân cực của tế bào.

Hiện nay, việc kích hoạt Class I PI3Ks (phosphoinositide 3-kinases) được chấp nhận là một trong những con đường truyền tín hiệu quan trọng nhất mà các thụ thể bề mặt tế bào sử dụng để điều khiển các sự kiện bên trong tế bào. Các thụ thể có thể truy cập vào con đường này bao gồm những thụ thể nhận diện yếu tố tăng trưởng, hormone, kháng nguyên và kích thích viêm, và các sự kiện tế bào được biết đến để điều chỉnh bao gồm sự phát triển tế bào, sự sống sót, sự phát triển và di chuyển. Chúng ta đã học được rất nhiều về họ enzyme Class I PI3K và những thích nghi cấu trúc cho phép nhiều thụ thể bề mặt tế bào khác nhau điều chỉnh hoạt động của chúng. Class I PI3Ks tổng hợp phospholipid PtdIns(3,4,5)P3 trong các màng mà chúng được kích hoạt, và hiện nay đã được chấp nhận rằng PtdIns(3,4,5)P3 và sản phẩm dephosphorylation của nó là PtdIns(3,4)P2 là những phân tử truyền tin điều chỉnh vị trí và chức năng của nhiều yếu tố tác động thông qua việc gắn kết với các miền PH (pleckstrin homology) cụ thể của chúng. Số lượng các yếu tố tác động PtdIns(3,4,5)P3/PtdIns(3,4)P2 trực tiếp tồn tại, thậm chí trong cùng một tế bào, tạo ra một mạng lưới tín hiệu hết sức phức tạp ở phía hạ lưu của việc kích hoạt PI3K. Tuy nhiên, một số nhân tố chính đang bắt đầu xuất hiện, liên kết hoạt động của PI3K với các phản ứng tế bào cụ thể. Những yếu tố này bao gồm các GTPase nhỏ cho các họ Rho và Arf điều chỉnh sự tái sắp xếp cytoskeletal và màng cần thiết cho sự di chuyển của tế bào, và PKB (protein kinase B), có vai trò điều chỉnh quan trọng trong quản lý quá trình tiến triển chu kỳ tế bào và sự sống sót. Tầm quan trọng của con đường tín hiệu PI3K trong việc điều chỉnh sự cân bằng giữa các quyết định trong sự phát triển tế bào, sinh sản và sự sống sót là rõ ràng từ sự phổ biến của các oncogene (ví dụ PI3Kα) và các tác nhân ức chế khối u [ví dụ như PtdIns(3,4,5)P3 3-phosphatase, PTEN (phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10)] được tìm thấy trong con đường này. Việc gần đây có sẵn các mô hình chuột chuyển gen với các khiếm khuyết được thiết kế trong các con đường tín hiệu Class I PI3K, và sự phát triển của các chất ức chế chọn lọc isoform PI3K bởi cả nghiên cứu học thuật và dược phẩm đã làm nổi bật tầm quan trọng của các isoform cụ thể của PI3K trong sinh lý học và bệnh lý toàn thân, ví dụ như PI3Kα trong điều hòa tăng trưởng và chuyển hóa, PI3Kβ trong cục máu đông, và PI3Kδ và PI3Kγ trong viêm và hen suyễn. Do đó, con đường tín hiệu Class I PI3K đang nổi lên như một lĩnh vực mới thú vị cho sự phát triển của các liệu pháp điều trị mới.

Protein kinase được kích hoạt AMP (AMPK) là một cảm biến của năng lượng tế bào và là một ‘công tắc chuyển hóa chính’. Khi được kích hoạt do sự suy giảm ATP, AMPK ngừng các quá trình tiêu tốn ATP, trong khi kích hoạt các con đường dị hóa tạo ra ATP. AMPK tồn tại dưới dạng các phức hợp heterotrimeric bao gồm các đơn vị α xúc tác và các đơn vị β và γ điều hòa, mỗi đơn vị có nhiều isoform khác nhau. Sự gia tăng AMP và sự giảm ATP, do nhiều loại căng thẳng tế bào gây ra (bao gồm cả hoạt động thể chất trong cơ bắp), kích thích hệ thống một cách cực nhạy. Acetyl-CoA carboxylase (ACC) tồn tại ở động vật có vú dưới hai isoform, được gọi là ACC-1 và ACC-2 (còn được biết đến là ACC-α và ACC-β). AMPK phosphoryl hóa và bất hoạt cả hai isoform tại vị trí tương ứng. Các con chuột knockout và các phương pháp khác cho thấy rằng malonyl-CoA được sản xuất bởi ACC-2 chỉ được liên quan đến việc điều chỉnh oxy hóa axit béo, trong khi malonyl-CoA được sản xuất bởi ACC-1 được sử dụng trong tổng hợp axit béo. Sự kích hoạt AMPK bởi căng thẳng tế bào hoặc hoạt động thể chất do đó kích hoạt quá trình oxy hóa axit béo (thông qua phosphoryl hóa ACC-2) trong khi ngừng tổng hợp axit béo (thông qua phosphoryl hóa ACC-1). Bộ gen của Drosophila melanogaster chứa các gen đơn lẻ mã hóa các đồng loại của các đơn vị α, β và γ của AMPK (DmAMPK) và của ACC (DmACC). Các nghiên cứu trong một dòng tế bào phôi của Drosophila cho thấy rằng DmAMPK được kích hoạt bởi các căng thẳng gây ra sự suy giảm ATP (oligomycin, thiếu oxy hoặc thiếu glucose) và điều này liên quan đến phosphoryl hóa tại vị trí trên DmACC tương ứng với các vị trí AMPK trên ACC-1 và ACC-2 ở động vật có vú. Việc này bị triệt tiêu khi sự biểu hiện của DmAMPK bị loại bỏ bằng cách sử dụng phương pháp can thiệp RNA, chứng minh rằng DmAMPK là cần thiết cho sự phosphoryl hóa của DmACC để đáp ứng với sự suy giảm ATP.

Kể từ khi các loài oxy phản ứng (ROS) được chứng minh đáp ứng các tiêu chí của các phân tử tín hiệu thực thụ, chẳng hạn như sản xuất được điều tiết và một chức năng sinh học cụ thể, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để hiểu rõ vai trò chính xác của ROS. Chức năng của ROS trong các cơ chế bệnh lý đang ngày càng đóng vai trò trung tâm trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu y sinh, bao gồm thần kinh học, tim mạch và ung thư. Một trạng thái oxy hóa gia tăng đã được phát hiện trong nhiều loại tế bào ung thư, và việc đưa vào các chất chống oxy hóa hóa học và enzym có thể ức chế sự phát triển của tế bào khối u, chỉ ra vai trò quan trọng của ROS trong việc trung gian mất kiểm soát sự phát triển. Bài đánh giá hiện tại mô tả các cơ chế điều chỉnh bởi ROS có liên quan đến ung thư và sự xâm lấn của khối u. Các quá trình tế bào liên quan đến các chức năng ROS này là tín hiệu phân bào và sự di động của tế bào, trong khi ROS cũng đã được liên quan đến apoptosis và sự lão hóa tế bào, hai cơ chế được coi là có tính chống ung thư. Đặc điểm ‘hai mặt’ này của các gốc tự do sẽ được thảo luận và đặt trong bối cảnh của các điều kiện sinh lý của tế bào khối u, các nền tảng phân tử khác nhau và các loại ROS cụ thể. Hiểu biết sâu hơn về các con đường tín hiệu được điều chỉnh bởi ROS trong các tế bào khối u sẽ mở ra triển vọng mới cho các can thiệp hóa trị hoặc liệu pháp gen.

Các cơ chế phòng vệ chống oxy hóa của tế bào β tụy đặc biệt yếu và có thể bị quá tải bởi sự mất cân bằng redox phát sinh từ việc sản xuất quá mức các loại oxy phản ứng và các loài nitơ phản ứng. Những hậu quả của sự mất cân bằng redox này bao gồm quá trình peroxy hóa lipid, oxy hóa protein, tổn thương DNA và sự can thiệp của các loài phản ứng với các con đường truyền tín hiệu, điều này góp phần đáng kể vào sự suy giảm và chết tế bào β trong bệnh tiểu đường loại 1 và loại 2. Các loại oxy phản ứng, các gốc superoxide (O2•−), hydrogen peroxide (H2O2) và, trong giai đoạn phản ứng cuối cùng được xúc tác bởi sắt, các gốc hydroxyl phản ứng mạnh nhất và độc hại nhất (OH•) được sản xuất trong cả hai quá trình tấn công tế bào β do cytokine gây viêm trong bệnh tiểu đường loại 1 và sự suy giảm chức năng tế bào β do glucolipotoxicity trong bệnh tiểu đường loại 2. Kết hợp với NO•, vốn độc hại tự nó, cũng như thông qua phản ứng của nó với O2•− và hình thành sau đó peroxynitrite, các loài phản ứng đóng vai trò trung tâm trong sự chết của tế bào β trong quá trình suy giảm dung nạp glucose khi phát triển bệnh tiểu đường.