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

Giới thiệu

Integrin là họ protein màng ngoại bào quan trọng, được cấu tạo từ hai tiểu đơn vị α và β liên kết không đồng hóa trị thành heterodimer. Mỗi heterodimer đóng vai trò receptor cho các thành phần của ma trận ngoại bào như fibronectin, vitronectin, collagen và laminin, điều hòa tương tác tế bào–ma trận. Tín hiệu hai chiều do integrin phát sinh bao gồm truyền tín hiệu từ môi trường ngoại bào vào nội bào (outside-in) và từ nội bào ra ngoại bào (inside-out), góp phần duy trì cấu trúc mô, điều phối di động tế bào và phát triển mô.

Integrin tham gia điều hòa quá trình hình thành focal adhesion—những cấu trúc tập trung protein bám kết vào màng tế bào, gắn vào vi ống và sợi actin nội bào. Qua focal adhesion, integrin kích hoạt các kinase như FAK và Src, điều phối tổ chức cytoskeleton và sinh tổng hợp protein thông qua con đường MAPK, PI3K/Akt. Vai trò này quan trọng trong quá trình sửa chữa vết thương, phát triển mạch máu mới (angiogenesis) và phát sinh khối u.

Integrin không chỉ là kết dính tĩnh, mà còn là cảm biến cơ học (mechanotransducer), chuyển đổi tín hiệu lực căng thành tín hiệu hóa học. Khi tế bào chịu kéo giãn hoặc lực cắt, integrin thay đổi cấu hình để tăng ái lực với ligand, dẫn đến tái tổ chức focal adhesion và kích hoạt con đường tín hiệu tương ứng. Khả năng này làm cho integrin trở thành mục tiêu nghiên cứu quan trọng trong các bệnh lý cơ xương khớp và xơ hóa mô.

Phân loại Integrin

Ở người, có ít nhất 18 chuỗi α và 8 chuỗi β kết hợp theo nguyên tắc không cho phép một chuỗi α liên kết với bất kỳ chuỗi β nào. Kết quả là hình thành trên 24 heterodimer khác nhau, mỗi heterodimer có phổ ligand và vai trò sinh học đặc thù. Phân loại thường dựa vào loại ligand chính hoặc mô biểu hiện chủ yếu.

• RGD-recognizing integrins: gắn motif Arg-Gly-Asp trên fibronectin, vitronectin và tenascin; ví dụ αvβ3, α5β1.
• Collagen-binding integrins: gắn trực tiếp vào collagen loại I, IV; ví dụ α1β1, α2β1, α10β1.
• Laminin-binding integrins: gắn laminin trong màng đáy; ví dụ α3β1, α6β1.
• Leukocyte-specific integrins: điều hòa vận động bạch cầu; ví dụ αLβ2 (LFA-1), αMβ2 (Mac-1).

Các integrin nhóm αIIbβ3 biểu hiện chủ yếu ở tiểu cầu, gắn fibrinogen và fibrin, chịu trách nhiệm quá trình tạo cục máu đông. Biểu hiện và hoạt tính của integrin được điều hòa qua quá trình hậu phiên mã (phosphorylation, glycosylation) và tương tác với protein nội bào (talin, kindlin).

Heterodimer	Ligand chính	Mô biểu hiện
αvβ3	Vitronectin, fibronectin	Endothelial, u
α5β1	Fibronectin	Đa mô
α1β1	Collagen I, IV	Thận, gan
αLβ2	ICAM-1	Bạch cầu

Sự linh hoạt trong phối hợp α–β giúp tế bào đáp ứng với nhiều tín hiệu ngoại bào khác nhau. Mỗi tổ hợp heterodimer có ái lực khác nhau đối với cùng một ligand tùy bối cảnh sinh lý, cho phép tinh chỉnh tín hiệu và chức năng tế bào đa dạng.

Cấu trúc phân tử

Mỗi chuỗi α và β của integrin bao gồm ba miền chính: miền ngoại bào lớn, một đoạn xuyên màng và đuôi cytoplasmic ngắn. Miền ngoại bào α chứa cấu trúc β-propeller domain gồm 7 vòng β-sheet, tạo bề mặt gắn ligand; một số chuỗi α còn chứa thêm I-domain chuyên biệt gắn collagen. Miền ngoại bào β có I-like domain, chứa metal-ion–dependent adhesion site (MIDAS) gắn ion Mg²⁺ hoặc Ca²⁺.

Đuôi cytoplasmic thường không có enzyme activity nhưng liên kết với protein nội bào như talin, kindlin, paxillin để điều hòa hoạt tính và clustering. Tổ chức vi cấu trúc này cho phép integrin chuyển đổi cấu hình từ dạng “bent” (đóng, ái lực thấp) sang “extended” (mở, ái lực cao) phụ thuộc vào tín hiệu inside-out và outside-in.

• Bent-closed: miền ngoại bào gập xuống, ligand-binding site bị che khuất.
• Extended-closed: miền ngoại bào mở ra nhưng MIDAS chưa sẵn sàng.
• Extended-open: MIDAS tiếp xúc ligand, ái lực tối đa.

Cấu trúc 3D của α5β1 (PDB ID: 3VI3) thể hiện rõ hướng tiếp cận ligand: β-propeller domain α và I-like domain β tiếp xúc để tạo khe gắn motif RGD. Cấu trúc tinh thể giúp nghiên cứu cơ chế hoạt hóa, thiết kế chất ức chế hoặc điều chỉnh ái lực.

Cơ chế liên kết ligand

Integrin gắn ligand thông qua motif nhỏ như RGD trong fibronectin hoặc motif GFOGER trong collagen. MIDAS trong β-I domain phối hợp ion Mg²⁺, cầu nối điện tích với nhóm carboxyl Asp của motif, ổn định liên kết. Quá trình này phụ thuộc nồng độ ion, pH và lực cơ học tác động lên focal adhesion.

Cơ chế multivalent clustering làm tăng avidity (tổng ái lực) khi nhiều integrin cùng gắn lên một phân tử ma trận hoặc tế bào láng giềng. Clustering kết hợp với mạng lưới actin nội bào qua talin, vinculin giúp focal adhesion phát triển thành các cấu trúc lớn, chịu tải cơ học và truyền lực vào bên trong tế bào.

1. Binding: ligand tiếp cận, RGD gắn vào MIDAS.
2. Conformational change: chuyển integrin sang extended-open.
3. Clustering: recruitment talin, kindlin, tạo focal adhesion.
4. Signal propagation: kích hoạt FAK/Src, truyền tín hiệu downstream.

Khả năng điều hòa ái lực qua inside-out signaling được trung gian bởi Rap1, RIAM, dẫn đến talin gắn đuôi β, kéo miếng gấp bent thành extended. Đây là cơ chế quan trọng trong di chuyển bạch cầu và đông máu.

Phát tín hiệu bên trong

Outside-in signaling bắt đầu khi ligand ngoại bào gắn vào miền ngoại bào của integrin, kích hoạt sự tái tổ chức cấu trúc heterodimer và clustering tại focal adhesion. Tín hiệu này dẫn đến sự phosphoryl hóa FAK (focal adhesion kinase) tại Tyr397, tạo điểm neo cho Src kinases và phức hợp paxillin–Crk–DOCK180, kích hoạt con đường MAPK/ERK và PI3K/Akt.

FAK và Src phối hợp điều hòa Rho GTPases (RhoA, Rac1, Cdc42) để kiểm soát tổ chức cytoskeleton: RhoA thúc đẩy hình thành stress fibers và focal adhesion mature; Rac1 và Cdc42 kích hoạt lamellipodia và filopodia. Sự cân bằng giữa các GTPase này quyết định hướng di chuyển và tốc độ lan truyền tín hiệu.

• FAK–Src activation: phosphoryl hóa Tyr397, Tyr576/577.
• RhoA: co thắt vi ống actin, hình thành focal adhesion lớn.
• Rac1/Cdc42: phát triển lamellipodia/filopodia, hướng di chuyển.

Inside-out signaling khởi nguồn từ tín hiệu nội bào như sự gia tăng Rap1-GTP do GEFs (RapGEF1/CalDAG-GEF1), dẫn đến tuyển talin và kindlin liên kết đuôi β cytoplasmic. Talin kéo miếng gập bent thành tích tán extended, nâng cao ái lực ligand, hỗ trợ quá trình di trú và kết dính mạnh mẽ.

Vai trò sinh lý

Integrin điều hòa di cư tế bào trong quá trình phát triển phôi: di chuyển tế bào thần kinh (neuronal migration), hình thành các lớp phôi và hình thành mạch máu sơ khai qua α5β1–fibronectin interaction. Thí nghiệm knock-out α5 ở chuột dẫn đến chết phôi do khuyết cấu trúc tim và mạch máu.

Tại vị trí tổn thương, integrin thúc đẩy quá trình sửa chữa vết thương bằng cách kết dính keratinocytes và fibroblasts vào fibrin clot, kích hoạt phân giải ma trận qua MMPs (matrix metalloproteinases) và tái tạo collagen. α2β1–collagen I interaction tăng tổng hợp collagen III giai đoạn đầu hồi phục.

• Phôi thai: αvβ3, α5β1 trong angiogenesis.
• Da: α2β1–collagen I trong migration keratinocyte.
• Tim: α6β1–laminin trong tái tạo cơ tim.

Trong hệ miễn dịch, LFA-1 (αLβ2) và Mac-1 (αMβ2) điều phối quá trình di chuyển bạch cầu xuyên thành mạch (transendothelial migration) nhờ gắn ICAM-1/2, thúc đẩy thực bào và trình diện kháng nguyên. Đột biến β2 gây hội chứng LAD với giảm bạch cầu di động và nhiễm khuẩn tái phát.

Vai trò bệnh lý

Ung thư: αvβ3 và α5β1 biểu hiện tăng trong tế bào nội mô ung thư và tế bào khối u, thúc đẩy angiogenesis và di căn. αvβ6 tăng ở ung thư phổi và đại trực tràng, kích hoạt TGF-β để tạo vi môi trường kháng thuốc. Thử nghiệm lâm sàng cilengitide (RGD-mimetic) thất bại do khả năng thay thế ligand phức tạp.

Rối loạn xơ hóa: αv integrins (αvβ1, αvβ6) trung gian kích hoạt tiền TGF-β thành TGF-β hoạt động, kích thích myofibroblast tổng hợp collagen và fibronectin. Ức chế αvβ1 bằng monoclonal antibody đã làm giảm xơ phổi mô hình chuột hơn 50%.

Bệnh lý	Integrin liên quan	Cơ chế
Ung thư phổi	αvβ6	Aktivation TGF-β, EMT
Xơ phổi	αvβ1	Kích hoạt myofibroblast
LAD	β2	Giảm transendothelial migration

Kỹ thuật nghiên cứu

Flow cytometry (FACS) sử dụng kháng thể gắn huỳnh quang để đo mức biểu hiện integrin và trạng thái hoạt hóa (mAb 12G10 cho β1 active). Immunofluorescence kết hợp confocal imaging cho phép quan sát clustering và colocalization với talin, vinculin.

Atomic force microscopy (AFM) đo lực liên kết đơn phân tử (SMFS) giữa RGD-peptide và MIDAS với độ nhạy pico-Newton. Single-molecule force spectroscopy cung cấp cơ sở để xác định tăng ái lực trong extended-open state.

• Wound healing assay: đo tốc độ di chuyển tế bào trên lớp ma trận.
• Transwell migration/invasion: đánh giá xuyên ma trận collagen/MatriGel.
• Biacore SPR: đo kinetics ligand–integrin (K_D, k_on, k_off).

Ứng dụng dược lý

Abciximab là kháng thể đơn dòng gắn αIIbβ3, ức chế kết tập tiểu cầu, dùng trong PCI (percutaneous coronary intervention). Hiệu quả giảm biến cố huyết khối cấp nhưng tăng nguy cơ chảy máu.

Cilengitide – cyclic RGD peptide – ức chế αvβ3/αvβ5, thử nghiệm giai đoạn II/III glioblastoma không cải thiện sống còn do nhanh thay thế ligand và thiếu tính chọn lọc isoform.

Thuốc small molecule mới (BG00011) ức chế αvβ1/αvβ6 trong xơ phổi idiopathic, giai đoạn II cho kết quả giảm FVC decline 30% sau 6 tháng. Monoclonal antibody thứ hai (stiacalset) đang trong giai đoạn I thử nghiệm lâm sàng.

Tài liệu tham khảo

• Hynes, R.O. “Integrins: Bidirectional, Allosteric Signaling Machines.” Cell. 2002;110(6):673–687.
• Luo, B.-H., Carman, C.V., Springer, T.A. “Structural basis of integrin regulation and signaling.” Annu Rev Immunol. 2007;25:619–647.
• Takada, Y., Ye, X., Simon, S. “The integrins.” Genome Biol. 2007;8(5):215.
• Barczyk, M., Carracedo, S., Gullberg, D. “Integrins.” Cell Tissue Res. 2010;339(1):269–280.
• IUPHAR/BPS Guide to Pharmacology. “Integrin Families.” https://www.guidetopharmacology.org/.
• NCBI PMC. “Integrin αvβ6 in lung fibrosis.” PMC3715614.