Transferrin là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa Transferrin

Transferrin là một glycoprotein trọng lượng phân tử khoảng 75–80 kDa, tổng hợp chủ yếu tại gan và tiết vào huyết tương. Nhiệm vụ chính của nó là gắn ion sắt ở trạng thái ferric (Fe3+) và vận chuyển đến các mô cần thiết như tủy xương, gan, cơ và nhiều tế bào khác có thụ thể transferrin (TfR). Transferrin giữ vai trò cân bằng lượng sắt tự do trong cơ thể, ngăn ngừa sự sinh ra các gốc tự do qua phản ứng Fenton, đồng thời kiểm soát nồng độ sắt nội mô sinh học một cách hiệu quả.

Transferrin tồn tại chủ yếu dưới hai dạng: apotransferrin không gắn sắt (apo-Tf) và holotransferrin đã gắn sắt (holo-Tf). Apotransferrin có ái lực cao để nhận Fe3+, trong khi holotransferrin sẽ được nhận diện bởi thụ thể TfR để nội hóa vào tế bào và giải phóng sắt. Cơ chế này tạo nên một vòng tuần hoàn sắt nội bào linh hoạt và chính xác.

Cấu trúc phân tử của Transferrin

Phân tử transferrin gồm hai miền đối xứng (N-terminal và C-terminal), mỗi miền có khả năng gắn một ion Fe3+ cùng với ion phối hợp là bicarbonate (HCO3–). Cấu trúc ba chiều dạng “cuốn sách” (bilobal) đã được xác định bằng tinh thể học tia X với độ phân giải cao, minh chứng cho cấu trúc khóa – chìa (lock–key) giữa transferrin và Fe3+.

Tổng vị trí gắn sắt:

• Mỗi miền gắn sắt liên kết với Fe3+ thông qua hai residue Tyr, một His và một Asp, phối hợp với HCO3–.
• Holotransferrin có cấu hình đóng, ổn định hơn apotransferrin khi gắn sắt; apotransferrin mở ra khi giải phóng sắt tại môi trường pH thấp.

Cơ chế vận chuyển sắt

Transferrin mang Fe3+ liên kết bền vững trong huyết tương, sau đó gắn với thụ thể transferrin (TfR1 hoặc TfR2) trên bề mặt tế bào. Phức hợp holo-Tf–TfR sẽ nội hóa qua con đường endocytosis: tế bào tạo ra endosome với pH ~5.5, khiến holo-Tf mở cấu hình và giải phóng Fe3+ vào endosome dưới dạng Fe2+ sau đó được xuất ra tế bào qua DMT1 hoặc ferroportin. Apotransferrin không mang sắt được tái chu trình ra ngoài tế bào để tiếp tục vòng tuần hoàn.

Các bước cơ bản:

1. Holotransferrin tiếp cận và gắn vào TfR trên tế bào.
2. Quá trình nội hóa qua endosome do acid hóa.
3. Sắt giải phóng tại pH thấp, apotransferrin rời khỏi TfR và được tái sử dụng.

Quá trình này rất hiệu quả và bảo đảm việc cấp sắt ổn định cho các tế bào đang phân chia hoặc tích cực tổng hợp hemoglobin.

Chức năng sinh lý

Transferrin đóng vai trò quan trọng trong:

• Vận chuyển Fe3+ đến tủy xương để tham gia tổng hợp hemoglobin và hồng cầu.
• Kiểm soát nồng độ sắt tự do, giảm nguy cơ gây stress oxy hóa.
• Cân bằng sắt nội sinh thông qua mối liên hệ với hepcidin – hormone điều chỉnh ferroportin.

Ngoài ra, transferrin còn tham gia vào kiểm soát tăng sinh tế bào, miễn dịch và chuyển hóa năng lượng ở nhiều mô. Bất thường trong cấu trúc hoặc nồng độ transferrin có thể gây ra các bệnh lý nghiêm trọng như thiếu máu, hemochromatosis hoặc atransferrinemia.

Receptor transferrin (TfR)

Có hai loại receptor transferrin chính được xác định trong sinh học phân tử người: TfR1 và TfR2. Cả hai đều thuộc họ protein xuyên màng, có khả năng liên kết đặc hiệu với transferrin để điều hòa hấp thu sắt vào tế bào. TfR1 là dạng phổ biến và có ái lực cao với holotransferrin, đặc biệt được biểu hiện mạnh tại các tế bào có nhu cầu sắt cao như tiền nguyên hồng cầu, tế bào miễn dịch hoạt hóa và một số dòng ung thư. TfR2 được biểu hiện chủ yếu ở tế bào gan và có vai trò điều hòa gián tiếp thông qua hormone hepcidin.

Cơ chế điều hòa TfR1 diễn ra theo phản hồi âm qua yếu tố IRE/IRP (iron-responsive element/iron-regulatory protein), điều chỉnh mức mRNA TfR1 theo nồng độ sắt nội bào. Khi sắt thấp, IRP gắn vào vùng 3'UTR của mRNA TfR1 và bảo vệ nó khỏi bị phân hủy, từ đó tăng biểu hiện TfR1. Cơ chế này cho phép tế bào phản ứng nhanh với thay đổi nồng độ sắt trong môi trường.

Transferrin và bệnh lý liên quan

Nồng độ transferrin huyết thanh và độ bão hòa transferrin (%TS) là các chỉ số lâm sàng then chốt để đánh giá tình trạng sắt trong cơ thể. Khi thiếu sắt, gan tăng tổng hợp transferrin (TIBC cao), trong khi độ bão hòa giảm. Ngược lại, khi cơ thể dư thừa sắt, transferrin có thể giảm và %TS tăng bất thường. Các bệnh lý liên quan gồm:

• Thiếu máu thiếu sắt: TIBC tăng, transferrin tăng, %TS giảm
• Viêm mạn tính hoặc bệnh gan: transferrin giảm do là protein âm tính trong pha cấp
• Hemochromatosis: %TS tăng > 45%, đặc trưng bởi ứ sắt nội mô
• Atransferrinemia: bệnh di truyền hiếm gặp gây thiếu hụt transferrin hoàn toàn, dẫn đến thiếu máu nặng và ứ sắt ở mô

Ngoài ra, nồng độ receptor transferrin hòa tan (sTfR) trong huyết tương có thể phản ánh chính xác nhu cầu sắt ở mức tế bào. sTfR thường tăng trong thiếu sắt thật sự nhưng không bị ảnh hưởng bởi tình trạng viêm như ferritin, nên có giá trị chẩn đoán cao.

Ứng dụng lâm sàng và xét nghiệm

Một số xét nghiệm lâm sàng thường dùng:

Các bộ xét nghiệm này đặc biệt hữu ích trong chẩn đoán phân biệt giữa thiếu máu thiếu sắt và thiếu máu do viêm (ACD – Anemia of Chronic Disease). Thêm vào đó, transferrin có thể là mục tiêu trong liệu pháp điều trị nhắm đích (targeted therapy) trong ung thư, vì nhiều tế bào ung thư biểu hiện mức TfR1 rất cao.

Transferrin trong nghiên cứu và công nghệ sinh học

Trong lĩnh vực công nghệ sinh học, transferrin tái tổ hợp người (rhTF) được dùng rộng rãi như chất bổ sung trong môi trường nuôi cấy tế bào không chứa huyết thanh (serum-free media). rhTF giúp cung cấp sắt ổn định, tăng sinh tế bào và bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa do sắt tự do. Các hệ thống nuôi cấy trong sản xuất vaccine, kháng thể đơn dòng, hoặc tế bào gốc đều tận dụng transferrin như yếu tố dinh dưỡng quan trọng.

Ngoài ra, nhờ khả năng nhận diện receptor đặc hiệu, transferrin được dùng làm chất mang thuốc trong hệ thống phân phối thuốc hướng đích (drug targeting system), đặc biệt trong ung thư và bệnh thần kinh. Một số ví dụ:

• Nanoparticle gắn transferrin để vượt qua hàng rào máu–não
• Hệ thống liposome có transferrin nhắm đích TfR1 trên khối u
• Phân tử thuốc liên hợp transferrin-doxorubicin tăng hấp thu nội bào

Tài liệu tham khảo

1. Hentze, M. W., Muckenthaler, M. U., & Andrews, N. C. (2004). Balancing acts: molecular control of mammalian iron metabolism. Cell, 117(3), 285–297.
2. Gkouvatsos, K., Papanikolaou, G., & Pantopoulos, K. (2012). Regulation of iron transport and the role of transferrin. Biochim Biophys Acta, 1820(3), 188–202.
3. Ganz, T., & Nemeth, E. (2015). Iron homeostasis in host defence and inflammation. Nat Rev Immunol, 15(8), 500–510.
4. NCBI – Iron Metabolism Overview
5. ACS Nano – Transferrin-based Drug Delivery
6. ScienceDirect – Transferrin Receptor Biology