Hiệu ứng tự thực: Quá trình làm sạch tế bào

Hiệu ứng tự thực: Quá trình làm sạch tế bào

Năm 2016, giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học đã được trao cho nhà khoa học người Nhật, Yoshinori Ohsumi, để vinh danh công trình nghiên cứu về cơ chế tự thực.

Điều gì là tự thực?

Tự thực (autophagy) là một quá trình rất đơn giản trong tế bào, có thể hiểu đơn giản như: “tế bào ăn chính nó”.

Từ ngữ autophagy xuất phát từ tiếng Hy Lạp, auto có nghĩa là “tự”, phagein có nghĩa là “ăn”.

Ý tưởng về tự thực được đưa ra bởi Christian de Duve, người đã đoạt giải Nobel Y học năm 1974 vì đã phát hiện ra lục lạp (lysosomes).

Trong một nhà máy nhỏ, nhiều bộ phận khác nhau (các tế bào) cùng hợp tác để duy trì hoạt động tốt nhất của nhà máy. Khi có sản phẩm không đạt chất lượng, cần có hệ thống thu gom hoặc hủy bỏ. Vì vậy, trong tế bào cũng có các “thiết bị dọn dẹp” để loại bỏ các protein và chất thải khác trong tế bào, giúp phục hồi hoạt động bình thường. Quá trình này được gọi là tự thực.

Cơ chế tự thực

Khi tế bào nhận được thông tin về thiếu hụt dinh dưỡng hoặc oxy, các cấu trúc màng kép hình lưỡi liềm được tạo ra, được gọi là túi nuốt (phagophore). Túi nuốt này dần mở rộng và bao quanh các cấu trúc tế bào bị hỏng hoặc các protein. Cuối cùng, nó sẽ đóng lại thành một cấu trúc túi chứa (autophagosome), giống như một xe rác di chuyển rác đến bãi rác. Bãi rác ở đây chính là lục lạp (lysosomes), nơi chứa các enzym phân giải. Lục lạp sẽ tiếp xúc với túi chứa, hình thành nên cấu trúc tự giải (autolysosome), nơi các enzym phân giải sẽ phân hủy các cấu trúc tế bào cũ thành các phân tử nhỏ hơn. Các phân tử nhỏ như axit amin có thể được tái sử dụng.

Nghiên cứu của Yoshinori Ohsumi

Ohsumi bắt đầu nghiên cứu về quá trình phân giải protein trong các túi chứa từ năm 1988. Các túi chứa trong men (yeast) tương đương với lục lạp trong tế bào người. Men là một mô hình nghiên cứu lý tưởng do chúng dễ dàng nghiên cứu hơn. Tuy nhiên, Ohsumi đối mặt với thách thức lớn: các cấu trúc bên trong của men rất khó nhìn thấy dưới kính hiển vi. Do đó, ông không chắc chắn liệu tự thực có xảy ra trong men hay không. Ông suy đoán rằng nếu ông can thiệp vào quá trình phân giải protein trong túi chứa khi tự thực xảy ra, túi chứa tự thực (autophagosome) sẽ tích tụ trong túi chứa, và ông có thể quan sát được điều này. Vì vậy, ông nuôi các dòng men đột biến thiếu enzym phân giải trong túi chứa và kích thích tự thực bằng cách khiến chúng bị đói.

Kết quả thực nghiệm thật sự bất ngờ! Sau vài giờ, các túi chứa trong men chứa đầy các túi chứa chưa được phân giải (ảnh dưới). Đây chính là túi chứa tự thực, chứng minh rằng tự thực tồn tại trong men.

Men bị đói sẽ nhanh chóng tích tụ túi chứa tự thực trong túi chứa.

Nhưng quan trọng hơn, ông đã xác định được 15 gen quan trọng liên quan đến tự thực bằng cách sàng lọc hàng nghìn dòng men đột biến (ảnh dưới).

4 năm sau, Ohsumi đã nhân bản thành công gen ATG1. Ngay sau đó, hơn 30 gen ATG khác đã được tìm thấy. Từ đó, các con đường tín hiệu liên quan đến tự thực mới được làm rõ.

Sau khi xác định cơ chế tự thực trong men, một câu hỏi quan trọng vẫn còn: Có cơ chế tương tự trong các sinh vật khác để kiểm soát quá trình tự thực không? Các nhà khoa học sớm phát hiện ra rằng cơ chế tương tự cũng tồn tại trong tế bào người.

Sau công trình đột phá của Ohsumi, số lượng các bài báo liên quan đến tự thực đã tăng nhanh chóng.

Vì công trình của Ohsumi và các nhà nghiên cứu theo sau, chúng ta biết rằng tự thực kiểm soát nhiều chức năng sinh lý quan trọng, liên quan đến việc phân giải và tái sử dụng các thành phần của tế bào. Tự thực cung cấp năng lượng nhanh chóng hoặc cung cấp nguyên liệu để cập nhật các thành phần của tế bào, do đó đóng vai trò thiết yếu khi tế bào đối mặt với tình trạng thiếu hụt và các loại stress khác. Sau khi nhiễm trùng, tự thực có thể tiêu diệt vi khuẩn hoặc virus xâm nhập. Tự thực cũng góp phần vào sự phát triển phôi thai và sự biệt hóa tế bào. Tự thực còn giúp tế bào loại bỏ các protein và cấu trúc tế bào bị hỏng, quá trình này quan trọng trong việc chống lại những tác động tiêu cực của quá trình lão hóa.

Nghiên cứu về cơ chế tự thực giúp chúng ta hiểu sâu sắc hơn về một số bệnh. Ví dụ, hiện nay chúng ta biết rằng quá trình tự thực bị rối loạn liên quan đến bệnh Parkinson, bệnh tiểu đường tuýp 2 và các bệnh khác ở người già. Đột biến gen tự thực cũng có thể gây ra các bệnh di truyền, và sự rối loạn của cơ chế tự thực còn liên quan đến ung thư.

Dù các nhà khoa học đã nghiên cứu về tự thực trong hơn 50 năm, nhưng chỉ sau công trình sáng tạo của Ohsumi trong thập kỷ 1990, các nhà khoa học mới nhận ra tầm quan trọng cơ bản của cơ chế này trong sinh lý học và y học. Do đó, ông đã được trao giải Nobel.

Từ khóa:

• Tự thực
• Yoshinori Ohsumi
• Lục lạp
• Men
• Gen ATG