Giải Nobel Y học cho phát hiện về cơ chế “tự ăn” của tế bào
Giải Nobel năm nay được trao cho nhà sinh học phân tử Yoshinori Ohsumi (Nhật Bản), người đã làm sáng tỏ cơ chế autophagy, một quá trình cơ bản tái tạo các thành phần tế bào.
Nhà sinh học phân tử Yoshinori Ohsumi (Nhật Bản)
Từ “autophagy” từ bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp auto có nghĩa là “tự”, và phagein, có nghĩa là “ăn”. Như vậy, autophagy là “tự ăn uống”. Khái niệm này nổi lên từ những năm 1960 khi các nhà nghiên cứu đầu tiên quan sát thấy rằng các tế bào có thể tiêu diệt các thành phần riêng của mình bằng cách bao quanh nó trong một màng, tạo thành các túi bao và được vận chuyển đến một cơ quan tiêu hoá được gọi là lysosome. Khó khăn trong việc nghiên cứu hiện tượng này ít được biết đến cho đến khi, trong một loạt thí nghiệm nở rộ vào đầu những năm 1990, Yoshinori Ohsumi sử dụng nấm men để xác định gen cần thiết cho autophagy. Sau đó ông đã nghiên cứu để làm sáng tỏ các cơ chế cơ bản cho autophagy ở nấm men và cho thấy rằng máy móc tinh vi tương tự được sử dụng trong các tế bào của người. Khám phá Ohsumi đã dẫn đến một mô hình mới trong hiểu biết của chúng ta về cách thức các tế bào tái tạo cơ quan của nó. những khám phá của ông đã mở đường đến sự hiểu biết về tầm quan trọng cơ bản của autophagy trong nhiều quá trình sinh lý, chẳng hạn như đột biến ở gen autophagy có thể gây ra bệnh tật, và quá trình autophagic được tham gia vào một số điều kiện bao gồm cả ung thư và bệnh về thần kinh.
Suy thoái – câu chuyện ở mọi tế bào sống
Năm 1950, các nhà khoa học tìm thấy bào quan có chức năng tiêu hóa, được gọi là lysosome. Nhà khoa học Bỉ Christian de Duve đã được trao giải Nobel Y học năm 1974 cho việc khám phá ra lysosome. Năm 1960, ngoài các chất dinh dưỡng, các nhà khoa học còn tìm ra các bào quan trong lysosome. Các túi vận chuyển vật chất tới lysosome được gọi là autophagosomes.
lysosome và các autophagosomes
Trong suốt những năm 1970 và 1980, người ta tập trung làm sáng tỏ một hệ thống phân hủy protein, cụ thể là “proteasome”. Trong lĩnh vực nghiên cứu này, Aaron Ciechanover, Avram Hershko và Irwin Rose đã được trao giải Nobel Hóa học năm 2004 với đề tài “phát hiện sự thoái hóa protein ubiquitin”. Các proteasome có hiệu quả làm giảm protein một-một, nhưng cơ chế này đã không giải thích được làm thế nào các bào quan đã tách khỏi phức hợp protein lớn. Quá trình autophagy có thể là câu trả lời, và nếu như vậy, các cơ chế là gì?
Một thí nghiệm mang tính đột phá
Yoshinori Ohsumi đã hoạt động tích cực trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau, nhưng khi bắt đầu thí nghiệm vào năm 1988, ông tập trung nỗ lực của mình vào sự thoái hóa protein trong không bào, một bào quan tương ứng với các lysosome trong các tế bào của con người. Tế bào nấm men là đối tượng tương đối dễ dàng để nghiên cứu, do đó chúng thường được sử dụng như một mô hình thử nghiệm trước khi chuyển sang các tế bào của con người. Chúng đặc biệt hữu ích cho việc xác định các gen quan trọng trong tế bào phức tạp.
Nhưng Ohsumi phải đối mặt với một thách thức lớn; tế bào nấm men rất nhỏ và các cấu trúc bên trong không dễ để phân biệt dưới kính hiển vi và do đó ông là không chắc rằng autophagy có tồn tại trong nó? Ohsumi lập luận rằng, nếu ông có thể làm gián đoạn quá trình thoái hoá không bào trong khi quá trình autophagy là hoạt động, sau đó autophagosomes nên tích lũy trong không bào và có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi. Vì thế, ông nuôi cấy nấm men đột biến thiếu các enzyme phân hủy không bào và kích thích đồng thời autophagy trong các tế bào. Các kết quả thật bất ngờ! Trong vòng vài giờ, các không bào đã được lấp đầy với các autophagosomes nhỏ mà đã không bị suy thoái (Hình 2).
Các autophagosomes và thử nghiệm Ohsumi đã chứng minh rằng authophagy tồn tại trong tế bào nấm men. Nhưng quan trọng là đã có một phương pháp để xác định và mô tả các gen chủ yếu liên quan đến quá trình này. Đây là một chính đột phá mà Ohsumi công bố kết quả vào năm 1992.
Gene Autophagy được phát hiện
Ohsumi đã tận dụng các chủng nấm men của mình, trong đó autophagosomes được tích lũy. Tích lũy này sẽ không xảy ra nếu gen quan trọng cho autophagy là bất hoạt. Ohsumi để các tế bào nấm men tiếp xúc với một hóa chất gây các đột biến ngẫu nhiên ở nhiều gen, và cuối cùng với autophagy. Chiến lược của ông đã được thực hiện Trong vòng một năm, Ohsumi đã xác định được gene đầu tiên cần thiết cho autophagy. Trong loạt bài tiếp theo ông chỉ ra các protein được mã hóa bởi các gene đặc trưng. Kết quả cho thấy autophagy được điều khiển bởi của các protein và phức hợp protein, điều khiển từng giai đoạn riêng biệt của autophagosome (Hình 3).
Autophagy – một cơ chế thiết yếu trong tế bào
Sau khi phát hiện autophagy trong men bia, một câu hỏi quan trọng vẫn còn. Đã có một cơ chế tương ứng để kiểm soát quá trình này trong các sinh vật khác? Không lâu sau nó trở nên rõ ràng, các cơ chế hầu như giống hệt hoạt động trong các tế bào của chúng ta. Các công cụ nghiên cứu cần thiết để điều tra về tầm quan trọng của autophagy ở người bây giờ đã có.
Nhờ Ohsumi và cộng sự, bây giờ chúng ta biết rằng điều khiển autophagy – chức năng sinh lý quan trọng mà bào quan được tiêu hủy và tái sử dụng. Autophagy có thể nhanh chóng cung cấp nhiên liệu cho các khối năng lượng và xây dựng cho việc đổi mới thành phần tế bào, và đó là điều cần thiết cho các phản ứng của tế bào. Sau khi lây nhiễm, autophagy có thể loại bỏ vi khuẩn xâm nhập tế bào và virus. Autophagy góp phần vào sự phát triển của phôi và biệt hóa tế bào. Các tế bào cũng sử dụng autophagy để loại bỏ các protein lỗi và các bào quan, một cơ chế kiểm soát chất lượng là rất quan trọng để đối phó với những hậu quả tiêu cực của quá trình lão hóa.
Autophagy gián đoạn có liên quan đến bệnh Parkinson, tiểu đường tip 2 và các rối loạn khác xuất hiện ở người già. Đột biến ở gene autophagy có thể gây bệnh di truyền. Rối loạn trong bộ máy autophagic cũng có liên quan đến ung thư. Nghiên cứu hiện đang được tiếp tục phát triển các loại thuốc có thể nhắm mục tiêu autophagy trong các bệnh khác nhau.
Autophagy đã được biết đến hơn 50 năm nhưng tầm quan trọng cơ bản của nó trong sinh lý học và y học chỉ được công nhận khi có nghiên cứu của Yoshinori Ohsumi trong những năm 1990. Với những khám phá này, ông đã được trao giải Nobel Y học năm nay.
