Journal of Cell Science

Glycogen synthase kinase 3 (GSK-3) là một kinase serine/threonine đa chức năng được tìm thấy trong tất cả các eukaryote. Enzyme này là một điều chỉnh viên chủ chốt của nhiều con đường tín hiệu, bao gồm phản ứng tế bào với Wnt, kinase tyrosine thụ thể và thụ thể G-protein-coupled, và tham gia vào một loạt các quá trình tế bào, từ chuyển hóa glycogen đến điều chỉnh chu kỳ tế bào và sự phát triển. GSK-3 có điểm lạ là nó thường hoạt động trong tế bào và chủ yếu được điều chỉnh thông qua việc ức chế hoạt động của nó. Một điểm kỳ quái khác so với các kinase protein khác là sự ưa thích của nó đối với các cơ chất đã được chuẩn bị, tức là, các cơ chất đã được phosphoryl hóa trước đó bởi một kinase khác. Một số tiến bộ gần đây đã cải thiện hiểu biết của chúng ta về sự điều chỉnh GSK-3 trong nhiều con đường. Những tiến bộ này bao gồm việc giải cấu trúc tinh thể của GSK-3, điều này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về sở thích của GSK-3 đối với các cơ chất đã được chuẩn bị và sự điều chỉnh của GSK-3 thông qua phosphoryl hóa serine, cùng với các phát hiện liên quan đến sự tham gia của GSK-3 trong các con đường Wnt/β-catenin và Hedgehog. Cuối cùng, vì việc tăng cường hoạt động GSK-3 có thể liên quan đến bệnh lý trong các bệnh như bệnh Alzheimer và tiểu đường không phụ thuộc insulin, một số chất ức chế GSK-3 mới, chẳng hạn như aloisines, paullones và maleimides, đã được phát triển. Mặc dù chúng chỉ mới bắt đầu được đặc trưng trong các thí nghiệm nuôi cấy tế bào, nhưng những chất ức chế mới này hứa hẹn là các tác nhân điều trị.

Nhiều hiểu biết của chúng ta về các cơ chế sinh học nằm dưới các chức năng tế bào, chẳng hạn như sự di chuyển, phân hóa và cảm nhận lực đã được thu thập từ việc nghiên cứu các tế bào được nuôi cấy trên bề mặt kính hoặc nhựa hai chiều (2D). Tuy nhiên, gần đây, lĩnh vực sinh học tế bào đã nhận thức được sự khác biệt giữa các bề mặt phẳng này và các môi trường ngoại bào ba chiều (3D) phức tạp về địa hình mà các tế bào hoạt động thường xuyên trong cơ thể. Điều này đã thúc đẩy những nỗ lực đáng kể trong việc phát triển các môi trường sinh học mô phỏng 3D trong phòng thí nghiệm và khuyến khích nhiều công việc liên ngành giữa các nhà sinh học, nhà khoa học vật liệu và kỹ sư mô. Khi chúng ta tiến tới các hệ thống nuôi cấy mang tính sinh lý hơn để nghiên cứu các quá trình tế bào cơ bản, việc xác định chính xác các yếu tố đang hoạt động trong các vi môi trường 3D là điều rất quan trọng. Do đó, trọng tâm của bài bình luận này sẽ là xác định và mô tả các đặc điểm cơ bản của các hệ thống nuôi cấy tế bào 3D ảnh hưởng đến cấu trúc tế bào, sự bám dính, chuyển đổi tín hiệu cơ học và tín hiệu phản ứng với các yếu tố hòa tan, mà – trở lại – điều chỉnh chức năng tế bào tổng thể theo những cách hoàn toàn khác biệt so với các định dạng nuôi cấy 2D truyền thống. Thêm vào đó, chúng tôi sẽ mô tả các kịch bản thí nghiệm trong đó nuôi cấy 3D đặc biệt phù hợp, làm nổi bật những bước tiến gần đây trong kỹ thuật vật liệu để nghiên cứu sinh học tế bào, và thảo luận về các ví dụ trong đó việc nghiên cứu tế bào trong bối cảnh 3D đã cung cấp những hiểu biết mà sẽ không được quan sát thấy trong các hệ thống 2D truyền thống.

Vào năm 1993, một bài bình luận trong tạp chí này đã mô tả cách mà một mô hình cơ học đơn giản về cấu trúc tế bào dựa trên kiến trúc tensegrity có thể giúp giải thích cách thức hình dạng, chuyển động và cơ chế của bộ xương tế bào được điều khiển, cũng như cách mà tế bào cảm nhận và đáp ứng với các lực cơ học (J. Cell Sci.104, 613-627). Mô hình tensegrity tế bào giờ đây có thể được xem lại và đặt trong bối cảnh của những tiến bộ mới trong hiểu biết của chúng ta về cấu trúc tế bào, các mạng sinh học và cơ chế điều chỉnh cơ học mà đã đạt được trong thập kỷ qua. Công trình gần đây cung cấp bằng chứng mạnh mẽ để hỗ trợ cho việc sử dụng tensegrity bởi các tế bào, và các phương trình toán học của mô hình dự đoán nhiều khía cạnh của hành vi tế bào. Ngoài ra, sự phát triển của lý thuyết tensegrity và việc chuyển nó thành các thuật ngữ toán học đang dần cho phép chúng ta xác định mối quan hệ giữa cơ học và hóa sinh ở cấp độ phân tử và giải quyết vấn đề lớn hơn về sự phức tạp sinh học. Phần I của bài viết hai phần này đề cập đến bằng chứng cho tensegrity tế bào ở cấp độ phân tử và mô tả cách mà hệ thống xây dựng này có thể cung cấp một cơ sở cấu trúc cho sự tổ chức phân cấp của các hệ thống sống — từ phân tử đến sinh vật. Phần II, tập trung vào cách mà các mạng cấu trúc này ảnh hưởng đến các mạng xử lý thông tin, sẽ xuất hiện trong số tiếp theo.

Việc tiếp xúc với căng thẳng tế bào có thể kích hoạt p53, một yếu tố phiên mã đặc hiệu theo trình tự, để thúc đẩy sự ngừng phát triển tế bào hoặc sự chết theo chương trình. Sự lựa chọn giữa những phản ứng tế bào này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm loại tế bào và căng thẳng, cũng như hoạt động của các hợp tác viên p53. p53 kích thích một mạng lưới tín hiệu rộng lớn hoạt động thông qua hai con đường chết theo chương trình chính. Con đường ngoại sinh, con đường thụ thể chết, kích hoạt sự phân giải pro-caspase thành caspase, trong khi đó con đường nội sinh, con đường ty thể, chuyển sự cân bằng trong gia đình Bcl-2 về phía các thành viên pro-apoptotic, thúc đẩy sự hình thành apoptosome, và do đó là sự chết theo chương trình do caspase điều hòa. Tác động của hai con đường chết theo chương trình này có thể được tăng cường khi chúng hội tụ thông qua Bid, mà là một mục tiêu của p53. Đa số các hiệu ứng chết theo chương trình này được trung chuyển thông qua việc kích thích các gen mục tiêu chết theo chương trình cụ thể. Tuy nhiên, p53 cũng có thể thúc đẩy sự chết theo chương trình bằng cơ chế độc lập phiên mã trong một số điều kiện nhất định. Do đó, một nhiều cơ chế khác nhau được p53 áp dụng để đảm bảo sự kích thích hiệu quả của sự chết theo chương trình theo cách đặc hiệu theo giai đoạn, mô và tín hiệu căng thẳng. Việc thao tác chức năng chết theo chương trình của p53 là một mục tiêu hấp dẫn cho liệu pháp điều trị ung thư.

Hiện nay, hơn 50 protein đã được báo cáo liên quan đến các điểm tiếp xúc khu trú và sự bám dính ECM liên quan. Hầu hết các protein này chứa nhiều miền cho phép chúng tương tác với các đối tác phân tử khác nhau, có khả năng tạo thành một mạng lưới protein dày đặc và không đồng nhất tại các mặt tế bào của điểm bám dính. Đa dạng phân tử và cấu trúc của ‘tấm nhãn phụ’ này được điều chỉnh bởi nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm sự cạnh tranh giữa các protein đối tác khác nhau cho các vị trí liên kết giống nhau, các tương tác được kích hoạt hoặc ức chế bởi sự phosphoryl hóa tyrosine, và sự thay đổi hình dạng trong các protein thành phần, có thể ảnh hưởng đến tính phản ứng của chúng. Thực sự, sự bám dính trung gian integrin có thể trải qua những thay đổi động về cấu trúc và tính chất phân tử từ các phức hợp khu trú dạng chấm đến các điểm tiếp xúc khu trú liên kết với sợi căng thẳng, có thể ‘chín muồi’ hơn để hình thành sự bám dính dạng sợi liên kết với fibronectin. Những thay đổi này được thúc đẩy bởi lực cơ học do máy móc co bóp chứa actin và myosin của tế bào tạo ra, hoặc bởi các lực bên ngoài tác động lên tế bào, và được điều chỉnh bởi độ cứng của ma trận.

Các yếu tố phiên mã hộp Forkhead O (FoxO) bao gồm FoxO1, FoxO3a, FoxO4 và FoxO6, là các đồng loại động vật có vú của DAF-16 ở Caenorhabditis elegans, đang nổi lên như một họ protein quan trọng điều chỉnh biểu hiện của các gen liên quan đến apoptosis, chu kỳ tế bào, sửa chữa DNA, căng thẳng oxy hóa, phân hóa tế bào, chuyển hóa glucose và các chức năng tế bào khác. Các protein FoxO được điều chỉnh bởi nhiều cơ chế khác nhau. Chúng trải qua phosphoryl hóa ức chế bởi các kinase protein như Akt, SGK, IKK và CDK2 dưới tác động của các kích thích bên ngoài và bên trong. Ngược lại, chúng được kích hoạt bởi các yếu tố điều hòa thượng nguồn như JNK và MST1 trong điều kiện căng thẳng. Hoạt động của chúng được cân bằng bởi các acetylase CBP và p300 cùng với deacetylase SIRT1. Hơn nữa, trong khi polyubiquitylation của FoxO1 và FoxO3a dẫn đến sự phân hủy của chúng bởi proteasome, monoubiquitylation của FoxO4 lại tạo điều kiện cho sự định vị trong nhân và tăng cường hoạt động phiên mã của nó. Do đó, các chức năng mạnh mẽ của các protein FoxO được kiểm soát chặt chẽ bởi các con đường tín hiệu phức tạp trong các điều kiện sinh lý; sự điều hòa bất thường của các protein này có thể dẫn đến bệnh tật như ung thư.