Actin là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về actin

Actin là họ protein trọng lượng phân tử khoảng 42 kDa, đóng vai trò chủ đạo trong cấu trúc khung tế bào (cytoskeleton) của tế bào nhân chuẩn. Actin tồn tại dưới hai dạng chính: dạng đơn phân hình cầu (G-actin) và dạng polymer sợi xoắn (F-actin). Vai trò cơ bản của actin là duy trì hình dạng tế bào, hỗ trợ cơ chế di động, phân chia tế bào, và vận chuyển bào quan nội bào.

Trong tế bào, actin chiếm tới 5–10% tổng lượng protein và phân bố rộng rãi ở mọi loại mô, từ cơ vân, cơ trơn đến tế bào nội mô, tế bào thần kinh. Sự đa dạng về chức năng của actin bắt nguồn từ khả năng tương tác linh hoạt với hàng chục loại protein liên kết actin (ABPs) khác nhau, cho phép tế bào tổ chức lưới actin dưới dạng bó, mạng lưới hoặc lưới nhánh tùy theo nhiệm vụ sinh học.

• Duy trì hình dạng tế bào và ổn định cơ cấu bề mặt.
• Tạo lực và chuyển động qua các cấu trúc lamellipodia, filopodia.
• Tham gia cơ chế co cơ bằng tương tác với myosin.

Cấu trúc phân tử

G-actin là đơn phân globular có kích thước đường kính khoảng 5,5 nm, gồm 375 amino acid sắp xếp thành bốn domain riêng biệt xung quanh vị trí gắn ATP/ADP. Mỗi phân tử G-actin có khả năng thủy phân ATP, cung cấp năng lượng cho quá trình polymer hóa và chuyển đổi cấu trúc.

F-actin hình thành khi các phân tử G-actin liên kết với nhau theo kiểu xoắn hai sợi, đường kính sợi khoảng 7 nm, bước xoắn ~36–37 nm. Trong chuỗi F-actin, các vị trí gắn ATP/ADP nằm giữa hai đơn vị, tạo mạng lưới liên kết hydro ổn định. Sự xoắn và tính đàn hồi của F-actin chịu trách nhiệm cho khả năng chịu lực và đàn hồi của khung tế bào.

Đặc tính	G-actin	F-actin
Hình thái	Globular	Filamentous
Kích thước	~5,5 nm	~7 nm (đường kính)
Vị trí gắn	ATP/ADP (một phân tử)	Các liên kết hydro giữa phân tử
Chức năng	Dự trữ đơn phân, điều hòa polymer hóa	Tạo khung tế bào, sinh lực cơ học

Phân loại và isoform

Actin ở động vật có xương sống được mã hóa bởi sáu gene chính, tạo ra sáu isoform khác nhau: ba alpha-actin (ACTA1, ACTA2, ACTC1), hai beta-actin (ACTB), và gamma-actin (ACTG1). Mỗi isoform có vùng biểu hiện đặc thù, đáp ứng nhu cầu sinh lý riêng của mô:

• Alpha-actin cơ vân (ACTA1): Biểu hiện chủ yếu ở cơ vân xương, tham gia bộ máy co cơ.
• Alpha-actin cơ trơn (ACTA2): Tập trung ở tế bào cơ trơn mạch máu và ruột, giúp điều hòa co thắt.
• Alpha-actin cơ tim (ACTC1): Đặc hiệu cơ tim, hỗ trợ co bóp mạnh mẽ liên tục.
• Beta-actin (ACTB): Phổ biến trong tế bào biểu mô, tham gia vận chuyển bào quan và hồi phục vết thương.
• Gamma-actin (ACTG1): Duy trì hình dạng tế bào, chịu lực kéo và hỗ trợ vận động tế bào.

Sự khác biệt về trình tự amino acid giữa các isoform thường tập trung ở phần đầu N- hoặc C- tận, điều khiển tương tác với protein liên kết actin và vị trí lắp ráp. Sự phân bố isoform tùy thuộc vào tín hiệu phát triển, điều kiện môi trường và giai đoạn chu chuyển tế bào.

Isoform	Gene	Mô biểu hiện
Alpha-actin vân	ACTA1	Cơ xương
Alpha-actin trơn	ACTA2	Cơ trơn mạch máu, ruột
Alpha-actin tim	ACTC1	Cơ tim
Beta-actin	ACTB	Tế bào mô mềm
Gamma-actin	ACTG1	Tế bào biểu mô, hệ thần kinh

Quá trình polymer hóa và động lực học

Quá trình polymer hóa actin diễn ra qua ba giai đoạn chính: cảm ứng (nucleation), tăng trưởng (elongation), và cân bằng động (steady state). Giai đoạn cảm ứng là bước chậm nhất, khi ba–bốn phân tử G-actin liên kết hình thành nucleus ổn định để sợi F-actin tiếp tục tăng dài.

Giai đoạn elongation diễn ra khi G-actin gắn vào đầu “+” của sợi F-actin nhanh hơn so với đầu “–”, phụ thuộc vào nồng độ G-actin tự do và sự có mặt của ATP. Khi sợi dài, ATP trên G-actin bị thủy phân thành ADP và Pi, làm thay đổi tính ổn định và dẫn đến chu trình tháo sợi ở đầu “–”.

• $G + ATP \leftrightarrow G\text{-}ATP$: gắn ATP để kích hoạt polymer hóa.
• $n\,G\text{-}ATP \rightarrow F\text{-}actin + n\,ADP + n\,Pi$: hình thành sợi và thủy phân ATP.
• Dynamic Treadmilling: $k_{+}[G\text{-}ATP] - k_{-}[ADP\text{-}F]$ tạo cân bằng giữa lượng polymer tại hai đầu.

Động lực học actin được điều hòa bởi các protein điều khiển nucleation (Arp2/3), capping (CapZ), và severing (cofilin, gelsolin). Các yếu tố ngoại bào như tín hiệu Rho GTPases cũng kích hoạt hoặc ức chế quá trình polymer hóa, cho phép tế bào đáp ứng nhanh với tín hiệu môi trường và thay đổi hình dạng.

Vai trò sinh học chính

Actin đóng vai trò trung tâm trong việc duy trì cấu trúc và chức năng của tế bào thông qua khả năng hình thành mạng lưới và bó sợi. Trong cấu trúc khung tế bào, F-actin kết hợp với vi tinh thể tạo nên các sợi vững chắc giúp tế bào giữ hình dạng đặc trưng và kháng lại các lực cơ học từ môi trường bên ngoài.

Tương tác giữa actin và các protein cơ như myosin tạo ra lực co thắt trong cơ vân, cơ trơn và cơ tim. Cơ chế này dựa trên chu trình liên kết–thả vết myosin với F-actin dưới tác động của ATPase trên myosin, cho phép co bóp cơ mạnh mẽ và linh hoạt.

• Duy trì hình thái tế bào và định hình cực tính tế bào (cell polarity).
• Tham gia quá trình phân chia tế bào (cytokinesis) bằng vòng actomyosin co thắt tại eo tế bào.
• Hỗ trợ vận chuyển bào quan và túi bọc vận chuyển (vesicle trafficking) dọc theo sợi actin.

Tương tác với protein liên kết actin

Các protein liên kết actin (Actin Binding Proteins – ABPs) điều hòa quá trình polymer hóa, ổn định hoặc cắt ngắn sợi actin. Chẳng hạn, profilin liên kết G-actin, thúc đẩy quá trình gắn ATP và vận chuyển đến đầu “+” của F-actin để tăng trưởng sợi.

Những protein như cofilin và gelsolin có khả năng cắt sợi F-actin, tạo đầu mới cho quá trình nucleation hoặc depolymerization. Arp2/3 complex khởi tạo mạng lưới actin nhánh thông qua nucleation chéo, quan trọng trong việc hình thành lamellipodia và đẩy màng tế bào di chuyển.

• Profilin: tăng cường vận chuyển G-actin đến đầu sợi “+”.
• Cofilin/Gelsolin: cắt sợi, giải phóng G-actin cho vòng lặp polymer mới.
• Arp2/3: khởi tạo mạng lưới nhánh, hỗ trợ di động tế bào.
• Fimbrin/α-Actinin: liên kết và bó sợi F-actin thành bó song song hoặc lưới.

Điều hòa và tín hiệu

Đường truyền tín hiệu qua Rho GTPases (RhoA, Rac1, Cdc42) là cơ chế quan trọng điều khiển tổ chức actin. Khi hoạt hóa, RhoA kích thích formin để tạo sợi actin thẳng; Rac1 và Cdc42 kích thích Arp2/3 để hình thành mạng lưới nhánh phục vụ di động tế bào.

Con đường PI3K/Akt và MAPK cũng ảnh hưởng đến quá trình remodel khung tế bào bằng cách điều hòa hoạt tính của các ABPs thông qua phosphoryl hóa. Tín hiệu ngoại bào như yếu tố tăng trưởng (EGF, PDGF) hoặc thay đổi độ thẩm thấu kích hoạt cascade kinase dẫn đến thay đổi động lực học actin.

• RhoA → Formin → F-actin bundles (stress fibers).
• Rac1/Cdc42 → WAVE/WASP → Arp2/3 → lamellipodia, filopodia.
• PI3K/Akt → Phosphoryl hóa cofilin/inhibitor → điều hòa cắt sợi.
• Ca²⁺ influx → Calmodulin → MLCK → co bóp actomyosin.

Kỹ thuật nghiên cứu actin

Quan sát sợi actin trong tế bào thường sử dụng phalloidin gắn fluorophore (phalloidin-FITC, phalloidin-TRITC) hoặc protein cảm biến LifeAct-GFP, cho phép quan sát cấu trúc và động lực học sợi actin qua kính hiển vi huỳnh quang hoặc siêu phân giải.

Kỹ thuật điện tử (EM) cho hình ảnh độ phân giải cao, cho phép quan sát cấu trúc xoắn của F-actin và mạng lưới nhánh do Arp2/3 khởi tạo. Ngoài ra, phân tích động lực học polymer hóa in vitro thực hiện bằng phương pháp đo hấp thụ ánh sáng hoặc khúc xạ góc (light scattering) kết hợp đo hoạt tính ATPase để xác định tốc độ nút tạo hạt, tốc độ elongation và treadmilling.

• Kính hiển vi huỳnh quang & siêu phân giải (STED, PALM/STORM).
• Điện tử truyền qua (TEM) & điện tử quét (SEM).
• Assay đo quang (pyrene-actin fluorescence).
• Phân tích ATPase và SDS-PAGE để kiểm tra chất lượng mẫu actin.

Liên quan đến bệnh lý

Đột biến trong gene ACTA1 gây ra các bệnh cơ vân di truyền như nemaline myopathy, dẫn đến giảm chức năng co cơ và yếu cơ nghiêm trọng ở trẻ em. Bệnh lý này thể hiện qua sự hình thành thể vân nhỏ (nemaline bodies) chứa protein actin và tropomyosin bất thường.

Trong ung thư, thay đổi biểu hiện hoặc điều hòa actin và ABPs ảnh hưởng đến khả năng di căn của tế bào khối u. Ví dụ, tăng hoạt động Arp2/3 và cofilin thúc đẩy hình thành lamellipodia, hỗ trợ tế bào ung thư xâm nhập mô đệm.

Bệnh lý	Gene/protein liên quan	Cơ chế
Nemaline myopathy	ACTA1	Đột biến làm rối loạn bó actin–tropomyosin
Ung thư di căn	Arp2/3, Cofilin	Tăng mạng lưới nhánh, di động tế bào
Bệnh tim mạch	ACTC1	Biến động cơ tim do rối loạn co cơ

Tài liệu tham khảo

1. Pollard, T. D. & Cooper, J. A., Actin, a Central Player in Cell Shape and Movement, Science, 2009.
2. Dominguez, R. & Holmes, K. C., Actin Structure and Function, Annu. Rev. Biophys., 2011.
3. Chesarone, M. A., DuPage, A. G. & Goode, B. L., Unleashing formins to remodel the actin and microtubule cytoskeletons, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2010.
4. Bryce, N. S. et al., Cofilin drives cell–cell junctional reorganization and motility, Mol. Biol. Cell, 2005.
5. Riedl, J. et al., Lifeact: a versatile marker to visualize F-actin, Nat. Methods, 2008.
6. NCBI Gene – ACTB. ncbi.nlm.nih.gov/gene/60
7. UniProt Consortium – ACTG1_HUMAN (P63261). uniprot.org/P63261