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

Ubiquitination là gì?

Ubiquitination là một quá trình điều hòa hậu phiên mã trong tế bào, trong đó một phân tử nhỏ gọi là ubiquitin được gắn vào protein mục tiêu để thay đổi vận mệnh hoặc chức năng của protein đó. Ubiquitin là một polypeptide gồm 76 acid amin, có cấu trúc ba chiều ổn định và được bảo tồn cao ở hầu hết sinh vật nhân chuẩn. Quá trình này giữ vai trò cốt lõi trong việc duy trì cân bằng nội môi protein thông qua đánh dấu và loại bỏ các protein bất thường, lỗi cấu trúc hoặc hết vòng đời sinh học.

Ubiquitination không chỉ giới hạn ở vai trò phân giải protein, mà còn tham gia vào điều hòa tín hiệu tế bào, kiểm soát chu kỳ tế bào, đáp ứng miễn dịch, sửa chữa DNA và vận chuyển protein nội bào. Tùy vào cách thức gắn và số lượng ubiquitin được thêm vào, protein đích có thể bị thay đổi vị trí nội bào, hoạt tính enzyme, hoặc bị phân giải bởi proteasome.

Quá trình này xảy ra tại vị trí lysine của protein mục tiêu thông qua liên kết isopeptide giữa nhóm carboxyl C-terminal của ubiquitin và nhóm amino ε của lysine. Các vị trí phổ biến trên ubiquitin để hình thành chuỗi polyubiquitin bao gồm K6, K11, K27, K29, K33, K48 và K63. Cấu trúc chuỗi và kiểu liên kết này đóng vai trò quyết định số phận sinh học của protein đích.

Các enzym tham gia trong chu trình ubiquitination

Quá trình ubiquitination là kết quả của phản ứng ba bước enzym liên tiếp, với sự tham gia của ba loại enzym đặc hiệu: E1 (ubiquitin-activating enzyme), E2 (ubiquitin-conjugating enzyme) và E3 (ubiquitin ligase). Các enzym này hoạt động tuần tự để truyền tải và gắn ubiquitin vào protein mục tiêu một cách có chọn lọc và kiểm soát.

Vai trò của từng enzym trong chu trình như sau:

• E1: Kích hoạt ubiquitin bằng cách tạo liên kết thioester với cysteine hoạt động trên enzym, sử dụng ATP.
• E2: Tiếp nhận ubiquitin từ E1 và vận chuyển nó đến E3, có vai trò duy trì trạng thái hoạt hóa.
• E3: Xác định tính đặc hiệu cơ chất và xúc tác phản ứng gắn ubiquitin vào lysine của protein đích.

Enzym E3 là mắt xích quyết định sự chọn lọc của quá trình ubiquitination vì nó nhận diện chính xác protein mục tiêu. Có hàng trăm loại E3 ligase trong tế bào, thuộc ba nhóm chính: HECT (Homologous to E6AP Carboxyl Terminus), RING (Really Interesting New Gene), và RBR (RING-between-RING). Ví dụ, phức hợp SCF (Skp1–Cullin–F-box) là một E3 ligase thuộc nhóm RING có vai trò quan trọng trong điều hòa chu kỳ tế bào.

Loại và cấu trúc chuỗi ubiquitin

Ubiquitination có thể diễn ra dưới nhiều hình thức khác nhau: mono-ubiquitination (gắn một ubiquitin), multi-mono-ubiquitination (gắn một ubiquitin vào nhiều lysine khác nhau trên cùng một protein) và polyubiquitination (gắn chuỗi ubiquitin). Polyubiquitin có thể được hình thành thông qua liên kết giữa các vị trí lysine khác nhau của ubiquitin, tạo ra các chuỗi phân nhánh hoặc tuyến tính.

Mỗi kiểu liên kết ubiquitin mang ý nghĩa chức năng sinh học riêng biệt. Chuỗi K48 là tín hiệu phân hủy protein thông qua hệ thống proteasome. Chuỗi K63 không dẫn đến phân giải mà có vai trò điều hòa tín hiệu, sửa chữa DNA hoặc điều phối vận chuyển nội bào. Dưới đây là bảng tóm tắt các kiểu liên kết phổ biến và chức năng của chúng:

Chuỗi ubiquitin có thể tạo thành cấu trúc tuyến tính (M1-linked) hoặc phân nhánh phức tạp, đặc biệt trong các phản ứng miễn dịch như đáp ứng viêm qua đường NF-κB. Phân tích chi tiết cấu trúc chuỗi ubiquitin là lĩnh vực quan trọng trong sinh học phân tử hiện đại, sử dụng kỹ thuật như MS/MS và NMR.

Vai trò trong điều hòa protein và proteasome

Hệ thống ubiquitin-proteasome là cơ chế chính trong việc loại bỏ protein không cần thiết hoặc bị lỗi trong tế bào. Quá trình này có vai trò trung tâm trong việc giữ cân bằng nội môi proteome, loại bỏ protein gập sai, điều chỉnh mức độ protein điều hòa, và ngăn ngừa tích lũy chất độc hại.

Sau khi được gắn chuỗi polyubiquitin K48, protein đích sẽ được nhận diện bởi phức hợp 26S proteasome, là cấu trúc enzym lớn có mặt trong bào tương và nhân tế bào. Proteasome tháo gỡ chuỗi ubiquitin, duỗi thẳng protein mục tiêu và phân giải nó thành peptide ngắn.

Quá trình phân giải này yêu cầu ATP và chịu sự điều phối của nhiều yếu tố điều hòa phụ như chaperone, shuttling protein và deubiquitinase. Một số phân tử như Rad23, Dsk2 hoặc Rpn10 hoạt động như đầu nối trung gian giữa ubiquitin và proteasome. Dưới đây là các bước chính:

1. Gắn ubiquitin: thông qua hệ E1–E2–E3.
2. Nhận diện protein đã ubiquitin hóa bởi proteasome.
3. Gỡ bỏ ubiquitin và tái sử dụng.
4. Tiêu hóa protein đích thành các peptide nhỏ.

Sự rối loạn của hệ thống này liên quan đến nhiều bệnh lý, đặc biệt là ung thư, thoái hóa thần kinh và rối loạn chuyển hóa.

Ubiquitination trong điều hòa tín hiệu tế bào

Bên cạnh vai trò đánh dấu phân hủy protein, ubiquitination còn là công cụ điều chỉnh tinh vi các con đường tín hiệu nội bào. Quá trình gắn ubiquitin không dẫn đến phân giải nhưng lại làm thay đổi hoạt tính, vị trí, hoặc tương tác của protein đích, từ đó điều hòa tín hiệu một cách chọn lọc. Đặc biệt, các chuỗi K63 và mono-ubiquitin được ghi nhận là tín hiệu không phân giải trong nhiều đường truyền tín hiệu sinh học.

Con đường NF-κB là ví dụ nổi bật, trong đó các phân tử như TRAF6 và RIP1 được polyubiquitin hóa bằng chuỗi K63, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tuyển mộ các kinase và adaptor, dẫn đến kích hoạt phiên mã gen viêm. Một số protein điều hòa tín hiệu khác cũng sử dụng ubiquitin như một thẻ tín hiệu cho việc định vị đến bào quan nội bào như endosome, lysosome hoặc bộ máy Golgi.

Danh sách các con đường tín hiệu liên quan đến ubiquitination:

• NF-κB: Thông qua IκBα, TRAF6, NEMO
• Wnt/β-catenin: GSK-3β-mediated degradation
• Notch: Ubiquitin hóa receptor Notch để nội độc hóa
• TGF-β: Smad ubiquitin regulatory factors (Smurfs)

Ubiquitination giúp tế bào phản ứng nhanh với thay đổi môi trường, ví dụ trong stress oxy hóa, viêm, hoặc tín hiệu tăng sinh. Do đó, rối loạn các E3 ligase trong các con đường này có thể góp phần gây ung thư, bệnh tự miễn hoặc các rối loạn phát triển.

Vai trò trong sửa chữa DNA và chu kỳ tế bào

Ubiquitination đóng vai trò quan trọng trong sửa chữa DNA, đặc biệt là trong cơ chế sửa chữa tổn thương DNA hai mạch (double-strand break – DSB) và tổn thương do UV. Các protein như PCNA, BRCA1 và FANCD2 đều chịu sự điều chỉnh thông qua ubiquitination nhằm định hướng quá trình sửa chữa qua các con đường như NER, HR và TLS.

Ví dụ, khi PCNA bị mono-ubiquitin hóa tại Lys164, nó kích hoạt con đường sửa chữa qua polymerase chịu lỗi (translesion synthesis). Nếu bị polyubiquitin hóa qua K63, quá trình chuyển hướng sửa chữa bằng pathway tái tổ hợp không sai (error-free bypass) được kích hoạt. Ubiquitin không chỉ hoạt động như tín hiệu tạm thời, mà còn tổ chức lại cấu trúc nhiễm sắc và điều hướng enzyme sửa chữa đến đúng vị trí tổn thương.

Trong chu kỳ tế bào, các E3 ligase như SCF và APC/C đóng vai trò chủ chốt. SCF điều hòa thoái hóa các cyclin phụ trách pha G1 và khởi đầu S, trong khi APC/C kiểm soát phân bào bằng cách ubiquitin hóa cyclin B và securin, kích hoạt phân tách nhiễm sắc thể trong pha M. Sai sót trong các quá trình này liên quan chặt chẽ đến ung thư và bất ổn nhiễm sắc thể.

Ubiquitination đảo ngược và deubiquitination

Ubiquitination là quá trình có thể đảo ngược thông qua hoạt động của các enzym deubiquitinase (DUBs). DUBs loại bỏ ubiquitin khỏi protein đích hoặc phân giải chuỗi polyubiquitin, từ đó điều chỉnh chức năng và ổn định của protein. Quá trình này giúp tái sử dụng ubiquitin và kiểm soát độ dài, kiểu liên kết của chuỗi ubiquitin.

Các nhóm DUBs chính bao gồm:

• USP (Ubiquitin Specific Protease): Nhóm lớn nhất, điều chỉnh nhiều tiến trình sinh học.
• OTU (Ovarian Tumor Domain): Có tính đặc hiệu liên kết cao.
• JAMM (JAB1/MPN/Mov34): DUBs phụ thuộc kim loại, hoạt động như metalloprotease.

DUBs điều hòa cân bằng giữa ubiquitination và deubiquitination. Sự bất thường trong hoạt động của DUBs được ghi nhận trong nhiều bệnh như Parkinson (USP30), ung thư (USP7), và bệnh viêm tự miễn (CYLD). Đây cũng là mục tiêu tiềm năng trong điều trị bằng thuốc nhỏ phân tử (DUB inhibitors).

Ứng dụng trong y học và nghiên cứu bệnh

Hệ thống ubiquitin–proteasome là mục tiêu điều trị đầy tiềm năng. Thuốc ức chế proteasome như Bortezomib đã được sử dụng thành công trong điều trị đa u tủy xương (multiple myeloma) và lymphoma tế bào mantle. Cơ chế của Bortezomib là ức chế hoạt động phân giải của 26S proteasome, khiến protein tích tụ và kích hoạt chết tế bào theo lập trình.

Một ứng dụng tiên tiến hơn là PROTAC (PROteolysis TArgeting Chimeras), là các phân tử lai được thiết kế để gắn đồng thời vào protein đích và E3 ligase, kéo protein cần phá hủy đến gần hệ thống ubiquitin hóa nội bào và dẫn đến thoái hóa có chọn lọc. Công nghệ này mở ra khả năng loại bỏ các protein “khó nhắm” mà thuốc truyền thống không tiếp cận được.

Hiện nay, nhiều công ty công nghệ sinh học đang phát triển các thuốc PROTAC như Arvinas và C4 Therapeutics. Tham khảo thêm tại Nature: Targeted protein degradation.

Ubiquitin-like proteins và cơ chế liên quan

Bên cạnh ubiquitin, nhiều phân tử khác có cấu trúc tương đồng được gọi là ubiquitin-like proteins (UBLs). Chúng cũng gắn cộng hóa trị vào lysine của protein đích thông qua hệ thống enzym E1–E2–E3 riêng biệt, đóng vai trò điều hòa vận mệnh protein và điều chỉnh chức năng tế bào.

Một số UBLs quan trọng:

• SUMO (Small Ubiquitin-like Modifier): Điều hòa vận chuyển nhân–bào tương, phiên mã, sửa chữa DNA.
• NEDD8: Sửa đổi Cullin-RING ligases để kích hoạt hoạt động E3 ligase.
• ISG15: Gắn vào protein trong đáp ứng miễn dịch do interferon.

Các hệ thống này tạo nên một mạng lưới điều hòa phức tạp, giúp tế bào phản ứng linh hoạt với môi trường, stress hoặc tác nhân ngoại lai. Chúng là đối tượng nghiên cứu chuyên sâu trong ung thư học, virus học và sinh học tế bào.

Tài liệu tham khảo

1. Hershko, A., & Ciechanover, A. (1998). The ubiquitin system. Annual Review of Biochemistry, 67, 425–479. DOI.
2. Komander, D., & Rape, M. (2012). The ubiquitin code. Annual Review of Biochemistry, 81, 203–229. DOI.
3. Swatek, K. N., & Komander, D. (2016). Ubiquitin modifications. Cell Research, 26(4), 399–422. Nature.
4. Schapira, M., et al. (2019). Targeted protein degradation: expanding the toolbox. Nature Reviews Drug Discovery, 18(12), 949–963. DOI.
5. Pickart, C. M., & Eddins, M. J. (2004). Ubiquitin: structures, functions, mechanisms. Biochimica et Biophysica Acta, 1695(1–3), 55–72. DOI.