Các gen gây Ung thư

CÁC GEN GÂY UNG THƯ RETROVIRUS

Một số dạng virus khác nhau có liên quan đến sự phát triển ung thư trên người và động vật. Trên người thì liên quan chủ yếu tới các virus DNA. Trong số các retrovirus chỉ có HTLV1 (human T-lymphotropic virus) và HIV liên quan tới sinh ung thư, nhưng với cách thức rất quanh co. Trên động vật thì ngược lại, một số retrovirus như các tài liệu đã ghi, là nguyên nhân trực tiếp gây nên các ung thư với 2 cơ chế khác nhau có thể được phân loại là “cấp” hoặc “chậm”. Nói một cách khác là chúng có thể được mệnh danh là “tải nạp” (transducing) hay “tác động cis” (cis-acting).

Các retrovirus biến nạp cấp như ALV (avian leucosis virus) hoặc RSV (Rous sarcoma virus) gây nên các bệnh bạch cầu, u lympho hoặc các sarcoma tiến triển nhanh sau khi vật chủ của chúng bị thâm nhiễm. Trên thực tế, các retrovirus biến nạp cấp thường được xác định trong thời gian dịch bệnh tàn phá các trang trại gà. Chúng thể hiện khả năng biến nạp các TB đích với cách thức trội, không cần bất kỳ đồng chất gây ung thư carcinogen (co-carconogen) nào. Rất sớm sau khi phát hiện ra vào đầu thế kỷ 20, chúng đã được dự báo là có mang các gen gây biến nạp TB và được gọi là gen gây ung thư (oncogene). Sự tồn tại của những gen này chính thức được chứng minh vào nửa cuối thế kỷ 20 và protein sinh ung thư đầu tiên – v-src từ RSV đã được xác định đặc tính hóa sinh vào cuối những năm 1970.

Protein v-src là một protein kinase định vị bên trong màng sinh chất. Trong khi hầu hết các protein kinase phosphoryl hóa các gốc serine hay threonine trong cơ chất thì v-src lại phosphoryl hóa tyrosine (đây là một bất ngờ tại thời điểm được phát hiện). Trong hệ gen của RSV thì v-src thực thi với tư cách là một gen phụ 3’ (additional gene 3’) gần sát các gen chuẩn gag, pol và env. Điều này là không bình thường đối với các retrovirus biến nạp cấp. Hầu hết trong số chúng, có một hoặc hai oncogene thay thế các bộ phận của gen chuẩn (Hình 5.1). Đặc biệt là, các oncogene thay thế pol và một phần gene gag cũng như protein oncogene được biểu hiện rất cao với tư cách là một protein liên hợp với gang. Mức biểu hiện cao này góp phần vào việc chi phối hoạt động của các oncogene retrovirus. Tất nhiên là, việc thay thế pol hoặc các gene virus khác bằng một trình tự oncogene đã làm mất đi khả năng tự sao chép của virus, làm nó trở thành “khuyết tật”. Đối với việc sao chép và truyền bệnh thì các retrovirus khuyết tật phải cần các virus trợ giúp có thẩm quyền sao chép còn nguyên vẹn để cung cấp các protein cần cho sự sao chép ngược, sự hợp nhất, sự đóng gói và sự chín (trưởng thành). Với sự đòi hỏi này có thể giải thích được tại sao các retrovirus biến nạp cấp lại hiếm. Ngược lại, khả năng độc đáo về tự sao chép của RSV có thể góp phần vào việc phân lập được nó rất sớm- đã từ một thế kỷ trước đây.

Trong khi đó, hơn hai chục oncogene đã được phân lập từ các retrovirus và đã được xác định các đặc tính hóa sinh. Nguồn gốc, sự định vị TB và các chức năng hóa sinh của một số oncogene đã được ghi nhận (Bảng 5.1). Một số điểm cần lưu ý về những sự phức tạp của chúng là: (1) Một số oncogene dường như là tương tự nhau. Trong một số trường hợp chỉ là do tên gọi như v-myb và v-myc, còn không giống nhau ngoại trừ đều là các yếu tố sao chép, nhưng cả 2 oncogene này đều được phát hiện thấy ở các retrovirus gây các bệnh bạch cầu dòng tủy. Ngược lại,  k-ras và ha-ras thì thực sự là các protein rất giống nhau. Chính vì điểm này mới dẫn tới sự tồn tại của các họ oncogene. (2) Các sản phẩm của các gen retrovirus dường như bao hàm phạm vi tương đối giới hạn các chức năng hóa sinh. Các protein kinase như v-erbB, v-src và v-raf và các yếu tố phiên mã như v-fos, v-jun, v-myb và v-myc chiếm đa số. Các thành phần khác là các receptor như v-erbB hoặc v-fms hoặc các protein tín hiệu chuyển đổi bắt nguồn từ các receptor. Một số ít chức năng khác kiến tạo nên các phần còn lại (remainder). (3)

Một số oncogene retrovirus mang 2 oncogene hợp tác với nhau trong quá trình biến nạp.

Chẳng hạn như virus erythroblastosis có chứa 2 oncogene v-erbA và v-erbB. Oncogene đầu tiên là một protein ức chế sao chép, còn oncogene thứ 2 thì tác động như là một protein tyrosine kinase màng TB. Sự hợp tác của chúng là ở chỗ v-erbA ngăn chặn sự biệt hóa của các tiền thân dòng hồng cầu và v-erbB kích thích tăng sinh và hỗ trợ cho sự sống sót của những TB gây nên chứng loạn nguyên hồng cầu này. 

Bảng 5.1. Một số oncogene retrovirus quan trọng

CÁC RETROVIRUS BIẾN NẠP TÁC ĐỘNG CHẬM

Như một quy luật, các retrovirus biến nạp tác động chậm có thẩm quyền sao chép và không tải nạp các oncogene. Thay vì, chúng gây biến nạp bằng việc hợp nhất ở bên trong hoặc lân cận các gen TB và làm biến đổi sự biểu hiện của chúng. Trong cách thức này, chúng chuyển đổi các gen TB từ tiền ung thư thành ung thư trong phương thức tác động cis.

Sự hợp nhất của một retrovirus biến nạp chậm sẽ làm gián đoạn các yếu tố điều hòa âm của gen đích và/hoặc hoạt hóa sự sao chép của nó bởi các trình tự điều hòa sao chép có chứa trong LTR retrovirus. Một số cơ chế có thể được mường tượng là các trình tự điều hòa virus có thể gây nên sự biểu gen quá mức. Một cách tổng quát, cơ chế nổi bật dường như là sự hoạt hóa các promoter gen TB bởi enhancer trong LTR retrovirus. Cơ chế này là hiệu quả nhất nếu các retrovirus hợp nhất ở thượng nguồn ngược hướng với promoter (Hình 5.2).

Trong hình vẽ, cách hoạt hóa này được biểu thị cho gen myc của TB (khởi đầu gọi là c-myc). Gen này gồm 3 exon và có chứa một số yếu tố điều hòa âm thượng nguồn của 2 vị trí bắt đầu sao chép và intron đầu tiên. Sự sao chép được tiến hành từ một vị trí bắt đầu sinh lý học (physiological start site) trong intron đầu tiên và tạm dừng ở đó cho đến khi có các tín hiệu khác đến, tương tự như trong quá trình điều hòa phiên mã bằng việc làm suy yếu vi khuẩn hoặc bởi protein tat của HIV. Việc gen myc cài thêm retrovirus điển hình sẽ làm gián đoạn cơ chế kiểm soát âm (cũng như các cơ chế khác) và đồng thời gây nên sự sao chép mạnh mẽ từ một promoter bất hoạt bí mật (cryptic) khác gần đầu cuối intron 1. Trong  cách thức này, việc sao chép trở nên độc lập với các tín hiệu ngoại bào. Đặc biệt là sự biểu hiện của gen không bị điều hòa xuống trong đáp ứng với các tín hiệu biệt hóa. 

Gen c-myc được hoạt hóa bởi các retrovirus biến nạp chậm rất giống oncogene được thực thi bởi virus myelocymatosis (Hình 5.3). Rõ ràng là, gen TB là tiền thân của gen virus và đã được chọn lọc do sự tiến hóa của tiền thân virus myelocymatosis. Điều này có thể xảy ra do sự tái tổ hợp của c-myc mRNA với mRNA hệ gen retrovirus sau khi tải nạp (transduction). Hơn nữa, sự tái tổ hợp có thể liên quan đến bản sao chép (tranncript) hệ gen và bản sao chép từ locus c-myc, trong đó retrovirus đã được cài thêm vào. Trong phương thức này, các retrovirus biến nạp tác động chậm có thể làm nảy sinh các dạng biến nạp cấp hiếm hơn.

Khi một retrovirus biến nạp chậm hợp nhất vào trong gen c-myc thì gen đích trở nên mất điều hòa và biểu hiện quá mức (Hình 5.2). Vì gen v-myc có trong các retrovirus myelocytomasis, do vậy nó được biểu hiện mạnh mẽ. Ngoài ra, còn có một số thay đổi trong các trình tự amino acid của v-myc so với c-myc của gia cầm. Những vấn đề này không phải là ngẫu nhiên. Chẳng hạn như, sự thay đổi ở hầu hết các chủng virus là cần phải loại bỏ threonine để làm bất hoạt protein myc và tăng cường hơn nữa tính sinh ung thư. Do vậy, tóm gọn là sự biểu hiện quá mức retrovirus biến nạp cấp đã làm thay đổi protein tế bào, trong khi đó các virus biến nạp chậm lại làm mất điều hòa protein nội sinh, có thể vẫn chưa bị biến đổi. 

Cũng như trong ví dụ của c-myc/v-myc, các oncogene retrovirus hầu như luôn luôn biến đổi so với các trình tự gen tương đồng (ortholog) TB của chúng, nơi khởi nguồn của chúng. Những biến đổi này trong trường hợp của myc thường là nghiêm trọng hơn. Chúng bao gồm việc cắt xén, đột biến hoặc hợp nhất với các protein virus làm tăng hoạt tính, tác động tới sự điều hòa và thay đổi sự định vị của oncoprotein bên trong TB. Chẳng hạn như, sản phẩm v-erbB bắt nguồn từ gen erb – B1 của TB mã hóa cho receptor yếu tố tăng trưởng EGFR (Hình 5.4). Receptor này bao gồm 3 domain cơ bản: Domain ngoại bào gắn với các ligand yếu tố tăng trưởng, domain vận chuyển màng (transmembrance) và domain tyrosine kinase tế bào chất được kiểm soát bởi vòng tự ức chế (autoinhibitory loop). Sản phẩm của virus không có hầu hết các domain ngoại bào, nhưng có chứa một đoạn gag nhỏ gây nên sự kết tụ protein mà bình thường thì do cảm ứng ligand. Hơn nữa, một đột biến điểm và sự cắt xén đầu cuối C ở domain tế bào chất làm giảm ức chế thông tin phản hồi và tự ức chế. Do vậy, có thể nói ngắn gọn là các virus đã mã hóa và biểu hiện quá mức protein hoạt hóa cấu thành.

Sự biến nạp bởi các virus biến nạp chậm và cấp diễn ra với các khoảng thời gian khác nhau có thể được giải thích là do những biến đổi phụ này ở các oncogene tải nạp. Những khác biệt khác nữa cũng góp phần vào hiệu ứng này. Các retrovirus biến nạp cấp tải nạp các oncogene kích hoạt vào trong mỗi TB mà chúng thâm nhiễm và vì thế mà tạo ra một nguồn dự trữ lớn các TB chuyển nạp tiềm năng. Ngược lại, các retrovirus biến nạp chậm lại hợp nhất vào nhiều vị trí khác nhau trong các TB thâm nhiễm khác nhau và hiếm khi đụng (hit) chạm với gen tiền ung thư của tế bào, và chỉ sản sinh được một vài TB biến nạp tiềm năng. Một lý do cho sự ấn định khoảng thời gian cho sự phát triển khối u là cần phải có một thời gian để nhân rộng dòng TB khối u.

Có khả năng là có nhiều hơn 2 lý do. Lý do thứ nhất là bắt buộc phải chuyển nạp một oncogene kích hoạt vào một lượng lớn TB để có được một hiệu ứng đáng kể lên sự tương tác giữa chúng với nhau và giữa chúng với các TB vật chủ. Chẳng hạn như, nó có thể làm thay đổi đáng kể các mức cytokine tự tiết (autocrine) hoặc cận tiết (paracrine) được tiết ra bởi những TB này hoặc kiềm chế đáp ứng miễn dịch kháng u. Lý do thứ 2 là có một lượng dự trữ lớn các TB có chứa oncogene làm tăng xác suất của một đột biến thứ 2 gây nên sự biến nạp trọn vẹn và tiếp theo là khối u tiến triển. Thực sự rất rõ ràng là, việc biến nạp bởi các retrovirus biến nạp chậm thường đòi hỏi phải có thêm một cú hích thứ hai. Đôi khi điều này cũng được thực hiện bằng cách cài thêm vào một retrovirus thứ hai nữa trong hệ gen. Một số retrovirus biến nạp cấp mang tới 2 oncogene, vì thế mà có được 2 cú hích trong cùng một trận đánh. 

Sự chọn lọc gen đã được phát hiện nhờ sự kích hoạt bằng việc cài thêm retrovirus (Bảng 5.2). So sánh với Bảng 5.1, ta thấy một số gen này như c-myc có các tương đồng (homolog) virus. Điều đó không có gì ngạc nhiên là các retrovirus biến nạp cấp phát sinh từ các tiền thân tác động chậm. Tuy nhiên, nhiều gen được kích hoạt bằng cách cài thêm virus lại không quan sát thấy sự tải nạp. Trong một số trường hợp, vấn đề này có thể là do kích cỡ hơn là do sự điều tiết ở một retrovirus.

Điều quan trọng là, mỗi retrovirus đều có một tương đồng (homologue) TB và cho đến nay mọi oncogene đã được phát hiện. Vậy thì, tất cả các oncogene retrovirus có lẽ là đã được tiến hóa từ các tiền thân TB. Chẳng hạn như tương đồng của gen RSV là csrc, một protein kinase định vị ở các điểm kết dính đầu mối, tại đó bộ xương actin gắn với màng TB.  C-src kinase chuyển tiếp tín hiệu về sự kết dính TB tới bộ xương TB và các kinase khác kiểm soát tăng sinh TB. Những tín hiệu như thế có thể bị bắt chước bởi  protein gây ung thư của  virus, nó được biến đổi thành protein TB do các đột biến điểm và sự thay thế 17 amino acid đầu cuối C bằng một peptide không có quan hệ gì.

NHỮNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GEN GÂY UNG THƯ NGƯỜI

Không có retrovirus biến nạp cấp nào đã quan sát thấy trên người và ngay cả việc kích hoạt  các gen TB bởi retrovirus hoặc các virus có liên quan như là HBV. Hai trường hợp kích hoạt oncogene do điều trị có thể xảy ra khi trị liệu gen bệnh miễn dịch tổ hợp trầm trọng ở trẻ em, trong trường hợp này các retrovirus mang gen trị liệu đã hợp nhất vào locus tiền gen ung thư MLO2.

Bảng 5.2. Một số gen gây ung thư quan trọng trong ung thư người

Những trường hợp như vậy rõ ràng là ngoại lệ, việc làm sáng tỏ các cơ chế mà retrovirus gây nên các ung thư trên động vật sẽ cung cấp nhiều thông tin hữu ích để hiểu rõ về các ung thư người. Ngay cả nếu các gen trong hệ gen người hầu như không bao giờ bị kích hoạt bởi các retrovirus để trở thành oncogene thì trình tự gene người tương đồng với các oncogene virus và động vật cũng có thể bị kích hoạt bởi những cơ chế khác ở người. Ngay sau khi phát hiện ra các oncogene tế bào, nhiều ung thư người đã được tiến hành sàng lọc về những biến đổi sinh ung thư trong những gen này. Thực sự thì có rất nhiều gen liên quan với tư cách là các oncogene trong ung thư người (Bảng 5.3).

Phân tích trình tự gen tương đồng người (human ortholog) của các gen gây ung thư ở retrovirus

Cách tiếp cận rõ ràng nhất là khảo sát các trình tự gen tương đồng người của các oncogene virus về mức độ biểu hiện của chúng và sự đột biến trong các ung thư người. Có rất nhiều tài liệu nói về những kết quả của nghiên cứu này. Tóm gọn là, một số trình tự gen tương đồng của oncogene virus biểu hiện quá mức hoặc đột biến trong các ung thư người và rõ ràng là có liên quan tới sự phát triển của chúng. Chẳng hạn như, tương đồng người của v-erbB, ERBB1 và tương đồng v-myc của người- MYC biểu hiện quá mức, đột biến và có liên quan đến nhiều ung thư người. Các gen khác thì chỉ liên hệ trực tiếp với phạm vi giới hạn hơn các ung thư như rel trong u lympho chọn lọc. Mặt khác, nhiều oncogene virus mạnh cũng chưa bao giờ trỗi lên như các oncogene trội ở người, nổi bật là v-src và v-fos. Thay vì, các sản phẩm của các gen người tương ứng thì liên hệ một cách tinh tế hơn về sự định hình kiểu hình của các ung thư người. Cần lưu ý là, trong khi đó ERBB1 hoặc MYC  lại biểu hiện quá mức với một phạm vi rộng các ung thư người. Đây không phải là trong từng trường hợp gây ra bởi những thay đổi tiên phát trong gen của chúng. Tóm lại, tương đồng người của hầu hết các oncogene virus đều góp sức bằng cách nào đó vào một hay một số ung thư người.

Thí nghiệm biến nạp tế bào 3T3

Các thí nghiệm nuôi cấy TB như nguyên bào sợi 3T3 hướng vào việc thiết lâp các thí nghiệm xác định các oncogene virus cũng đã được sử dụng để phát hiện các oncogene người. Trong thí nghiệm 3T3 nguyên bản, dòng tế bào nguyên bào sợi chuột 3T3 được thâm nhiễm với một retrovirus mang oncogene và đã tạo ra được các tiêu điểm (focus)  của TB biến nạp có hình thái học biến đổi phát triển ra một lớp đơn ở hội lưu (ngã ba). Các tiêu điểm cũng có thể thu được bằng cách thâm chuyển DNA từ các TB khối u của người. Từ những tiêu điểm như thế gen có thể đảm nhiệm được việc phân lập ra các kiểu gen biến đổi. Thí nghiệm này dẫn đến việc xác định được một số oncogene người. Thành quả ấn tượng nhất là 3 tương đồng người của gen v-ras có thể tác động như là các oncogene. Trong tương đồng người của cả 2 gen ki-ras (KRAS) và Ha-ras (HRAS) còn có một “người thân thuộc” (relative) thứ 3 nữa là NRAS có cấu trúc và chức năng tương tự. Tất cả 3 gen đều được thu hồi từ thử nghiệm hình thành tiêu điểm 3T3, trong mỗi trường hợp đều mang các đột biến điểm ở các vị trí đặc biệt, ví dụ codon 12, 13 hoặc 61. Do đó, một số gen TB như gen RAS có thể được chuyển đổi từ gen tiền ung thư thành gen ung thư chỉ vì các đột biến điểm. Thí nghiệm 3T3 cũng tạo ra được một số gen phụ cũng như nhiều vấn đề hóa sinh lý thú từ sự sắp xếp lại gen trong quá trình thâm chuyển.

Các thí nghiệm biến nạp khác

Thí nghiệm 3T3 bị giới hạn vì nó nghiêng nhiều về một dạng oncogene xác định như ras, trong khí đó các oncogene tiềm năng khác thì không gây được hiệu ứng nào. Giới hạn này xuất phát từ một thực tế là thí nghiệm nhằm chọn lọc khả năng của các oncogene canh phòng các nguyên bào sợi tăng trưởng ngoài hội lưu và làm biến đổi hình thái học của chúng. Những gen RAS đột biến đã tạo nên các tính chất này. Tuy nhiên, không phải tất cả các oncogene đều tham gia vào câu chuyện này. Vì thế, cần phải phát triển các thí nghiệm tế bào sâu hơn nữa để xác định các oncogene tác động trên những tính chất khác. Trong số các thí nghiệm nổi danh này thì có thí nghiệm REF, trong đó các nguyên bào sợi phôi chuột được thâm nhiễm với các retrovirus hoặc được tải nạp với oncogene hoặc DNA tế bào khối u tinh khiết. Trong thí nghiệm này, cần 2 oncogene cho sự hình thành tiêu điểm (focus), một là oncogene dạng ras và một oncogene dạng myc. Đây là một ví dụ khác về sự hợp tác oncogene như đã thấy khi biến nạp retrovirus ở các động vật. Cơ sở phân tử chính xác của sự hợp tác này vẫn đang được nghiên cứu sau gần 20 năm phát hiện ra nó. Nói tóm lại, gen dạng myc làm bất tử hóa các nguyên bào sợi phôi chuột và kích thích sự tăng sinh của chúng, trong khí đó các gen dạng ras lại làm tăng trưởng quá mức và làm biến đổi về hình thái học. Rõ ràng là, các gen 3T3 (Hình 5.5) nằm ở bước đầu tiên trong cả một quá trình dài.

Sự khuếch đại gen

Vì sự biểu hiện quá mức thường là một đòi hỏi về chức năng của oncogene nên các gen biểu quá mức mạnh mẽ ở các ung thư người chuyên biệt rõ ràng là các ứng cử viên cho các oncogene. Đặc biệt là một số ung thư có chứa các khuếch đại tái diễn tại các vùng NST đặc biệt. Những oncogene này có thể được phát hiện bằng các kỹ thuật di truyền TB, chẳng hạn như sự biểu hiện quá mức của MYC và ERBB1 trong các ung thư người thường là do khuếch đại các gen của chúng định vị tại 8q24 và 17p12. Khi khảo sát các vùng khuếch đại khác đã phát hiện được các oncogene khác nữa. Đoạn nhiễm sắc thể 2p24 thường bị khuếch đại ở u nguyên bào thần kinh cũng như ở một số carcinoma có chứa gen liên quan tới MYC có tên là u nguyên bào thần kinh  MYC- [MYCN] (N: neuroblastoma). Một gen có liên quan khác là MYCL thấy khuếch đại và biểu hiện quá mức ở các ung thư phổi và các carcinoma khác cũng có được sự biểu hiện quá mức gen tương tự như ERBB1. Hiện nay tên chính thức của nó là ERBB2, nhưng  sau đó vẫn còn gọi là HER-2 hoặc NEU, bởi vì một dạng đột biến đã được phát hiện một cách độc lập ở u nguyên bào thần kinh chuột được cảm ứng một cách hóa học.

Những kết quả như thế này xác nhận rằng những vùng khuếch đại phù hợp trong hệ gen của TB ung thư thường chứa đựng các oncogene. Tuy nhiên, việc xác định các oncogene không phải luôn luôn đơn giản, vì các vùng khuếch đại có thể bao gồm tới vài Mbp. Chẳng hạn như, một vùng từ 12q14 chứa các gen GL11, CDK4 và HDM2⁴ thường hay khuếch đại ở các khối u người. Như đã đề cập ở các phần trước, mỗi một gen trong số những gen này đều có các đặc tính khiến nó trở thành một ứng cử viên tốt cho một oncogene. Còn một phiền hà nữa là một số khuếch đại lại liên quan tới sự yên lặng gen hơn là sự biểu lộ quá mức.

Chuyển vị nhiễm sắc thể 

Một dạng khác của sự sai lạc NST trong ung thư người là chuyển vị. Đặc biệt trong các bệnh ung thư máu thì các gen ở các vị trí chuyển vị sẽ được hoạt hóa để trở thành oncogene. Do vậy, khi khảo sát một cách hệ thống những sự chuyển vị có định kỳ ở các ung thư huyết bằng kỹ thuật nhân dòng phân tử và di truyền TB đã phát hiện được một số oncogene. Đặc trưng của những chuyển vị ở các khối u của mô mềm và carcinoma không phong phú lắm. Trường hợp một gen được hoạt hóa bởi một số chuyển vị là MYC. Cũng cần phải nhấn mạnh rằng, vậy oncogene nào là tiềm năng?

Oncogene thứ hai được xác định ở các vị trí tái diễn trên 11q13 ở các ung thư khác nhau, gen này khởi đầu gọi là PRAD1 hoặc BCL1, nhưng cho đến nay nó được sửa tên thành CCD1 vì nó mã hóa cho cyclin D1 – một chất điều hòa quan trọng với tiến trình chu kỳ TB ở phase G1. Thật thú vị là, một số gen cũng được biểu hiện quá mức do hệ quả của sự khuếch đại ở một số carcinoma. Điển hình là một số gen lân cận thường cũng bị khuếch đại đồng thời với CCD1, trong đó bao gồm GSTP1 và một gen yếu tố tăng trưởng. Sự chuyển vị đặc biệt ở u nang lympho đã làm hoạt hóa gen BCL2. Gen này thuộc lớp có chức năng hoàn hoàn khác. Protein BCL2 điều hòa trực tiếp apoptosis ở ty lạp thể và là thành viên đầu tiên trong siêu họ các gen đã được xác định.

Họ oncogene

Điều thật sự hấp dẫn là các gen liên quan tới oncogene cũng có thể là các oncogene. Ý kiến này đã gây cảm hứng cho rất nhiều nghiên cứu. Yếu điểm trong nhiều kết quả của họ là trong một số trường hợp ý kiến này là đúng, nhưng về tổng thể thì cũng không hoàn toàn như vậy. Trong một số trường hợp, các lý do đã rất rõ ràng chẳng hạn như họ MYC bao gồm các thành viên như MX11 và MAD - chúng đối kháng thật sự với các tiền ung thư MYC, MYCN và MYCL, trong khi đó MAX lại mã hóa cặp đôi heterodimer hóa cho tất cả các thành viên. Vẫn chưa hiểu rõ tại sao ERBB1 và ERBB2 thường kích hoạt oncogene, nhưng 2 thành viên khác trong họ này là ERBB3 và ERBB4 thì lại hiếm khi kích hoạt. Tương tự như vậy, các trình tự gen tương đồng người gần cận nhất của virus v-raf, RAF1 lại dường như không bị kích hoạt trong các khối u người, nhưng các tương đồng BRAF của nó thì chắc chắn bị kích hoạt, ví dụ như trong các melanoma. Như vậy, tương đồng với một oncogene rõ ràng là một dấu hiệu tốt về tầm quan trọng, nhưng không cho phép kết luận chắc chắn đó là một gen tiềm năng ung thư.

Sự lôi cuốn khác liên quan đến các gen biểu lộ quá mức rất mạnh ở khối u người với tư cách là một oncogene. Như đã chỉ ra ở trên, ý nghĩa của sự biểu hiện quá mức có thể là mơ hồ ngay cả với các oncogene bona fide như MYC và ERBB1. Việc quan sát sự biểu hiện quá mức của một gen trong ung thư người không phải luôn luôn dễ dàng giải thích, vì có thể gặp khó khăn khi test các chức năng tác động của sự biểu hiện quá mức này.  

CHỨC NĂNG CỦA CÁC GEN GÂY UNG THƯ NGƯỜI

Các oncogene của các retrovirus biến nạp cấp (Bảng 5.1) cũng như các oncogene của người (Bảng 5.2) có thể được phân loại theo chức năng hóa sinh của chúng hoặc theo sự định vị của các sản phẩm của chúng. Một sự phác họa về những định vị này (Hình 4.6) gợi ý rằng sự phân bố không gian này có thể không quan trọng lắm. Thực sự thì, nhiều oncogene đã được kiểm chứng hay còn nghi ngờ đều thuộc mạng lưới chức năng làm nhiệm vụ truyền các tín hiệu cho sự tăng sinh và sự sống sót từ bên ngoài TB tới nhân.

Sự tăng sinh của một TB bình thường là sự đáp ứng với các tín hiệu ngoại bào bắt nguồn từ các yếu tố tăng trưởng hòa tan và được điều tiết bởi các tín hiệu, đó là kết quả của sự kết dính TB với chất nền ngoại bào và các TB lân cận. Nhóm thứ nhất các sản phẩm được coi như là của oncogene người bao gồm các yếu tố tăng trưởng peptide như TGFα (yếu tố biến nạp α), FGF1 (yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi) hoặc WNT (wingless/int-1) – các mitogen đối với các TB biểu mô và trung mô. Những yếu tố này hoặc các yếu tố có liên quan khác được sản xuất quá mức bởi các carcinoma.

Các yếu tố tăng trưởng peptide gắn và kích hoạt các receptor ở màng TB như EGFR (epidermal growth factor receptor) (Hình 5.4), sản phẩm của gen ERBB1, hoặc một trong số các receptor FGF. ERBB1 biểu hiện quá mức ở các carcinoma khác nhau và thường là hệ quả của sự khuếch đại gen. Sự biểu hiện của FGFR cũng bị biến đổi ở nhiều khối u người và đặc biệt là FGFR3 lại được kích hoạt bởi các đột biến điểm trong các ung thư bàng quang và cổ tử cung. Các receptor yếu tố tăng trưởng khác như ERBB2, MET, TGFR1, KIT và RET cũng là các oncogene quan trọng trong các ung thư người. Những receptor này đều chia sẻ về cấu trúc và cơ chế tín hiệu và đã được tóm lược như các receptor tyrosine kinase (RTK - TRK). RTK kiến tạo nên một trong số các lớp oncogene lớn nhất. Tuy nhiên, một số sản phẩm của oncogene lại là các receptor thuộc các lớp khác nhau, ví dụ như các cytokine receptor.     

Khi gắn yếu tố tăng trưởng với domain ngoại bào của RTK sẽ dẫn đến việc hình thành các dimer hay heterodimer receptor, ví dụ như giữa ERBB1 và ERBB2. Nó cũng gây nên sự thay đổi về cấu hình, theo đó một vòng (loop) peptide cơ chất giả (pseudosubstrate peptide loop) ở domain nội bào của receptor bị loại khỏi trung tâm hoạt động của domain tyrosine kinase nội bào. Tyrosine kinase trở nên hoạt hóa và các tiểu đơn vị receptor sẽ phosphoryl hóa lẫn nhau trong trạng thái trans. Sự biểu hiện quá mức các RTK trong các TB khối u đã giúp cho việc hình thành các dimer. Vì thế, nó gây nhạy cảm cho các TB với nồng độ thấp hơn các yếu tố tăng trưởng ligand hoặc thậm chí dẫn đến việc hoạt hóa độc lập yếu tố tăng trưởng. Các đột biến điểm của oncogene thường xảy ra ở vòng (loop) ức chế, vì thế gây nên sự hoạt hóa cấu thành của tyrosine kinase hoạt tính. Việc lắp ráp một số receptor dimer thành các phức hợp lớn hơn trong màng TB có thể xảy ra sau khi nó đi vào các endosome.      

Sự tự phosphoryl hóa và phosphoryl hóa chéo của các RTK đã tạo ra các phosphotyrosine được nhận dạng bởi các protein điều biến (adaptor protein) có chứa các domain SH2 gắn với các receptor kích hoạt. Các domain SH2 ở các protein khác nhau đều gắn với các phosphotyrosine, nhưng việc nhận dạng chúng lại nằm ở những đoạn peptide khác nhau. Với các mức độ khác nhau, các RTK cũng phosphoryl hóa các protein khác hơn là phosphoryl hóa chính mình.

Thông thường thì có nhiều protein gắn vào một receptor do sự nhận dạng của các phosphotyrosine khác nhau. Trong phương thức này, một receptor có thể hoạt hóa một số con đường tín hiệu khác nhau. Chẳng hạn như, EGFR kích hoạt gắn với các protein điều biến GRB2 và SHC (lại gắn với GRB2), PLCγ ( phospholipase Cγ), tiểu đơn vị điều hòa của PI3K (phosphatidylinositol-3’-kinase), và GAP (GTPase activator protein).

Các phosphotyrosine là các cơ chất của tyrosine phosphatase và cũng hoạt động với tư cách là các vị trí nhận dạng các protein dẫn đến sự “nhập cuộc” (internationalization) và thoái hóa của receptor như các protein CBL. Tổ hợp lại sẽ làm giới hạn lại cường độ của các tín hiệu yếu tố tăng trưởng trong các TB bình thường và đảm bảo chắc chắn rằng các tín hiệu chỉ có tính chất nhất thời.

Đến lượt mình, các protein điều biến lại gắn với một protein khác có tên là SOS để hình thành một phức hợp có tác dụng hoạt hóa và tương tác với các protein RAS (Hình 5.7). Tất cả các protein HRAS, KRAS hoặc NRAS đều là các protein khoảng 21 KDa và gắn vào bên trong màng TB thông qua các đầu tận cuối C của chúng đã được sửa đổi sau khi tổng hợp nhờ sự myristyl hóa, farnesyl hóa và methyl hóa. Chúng thuộc đại siêu họ các protein G monomer nhỏ có thể gắn luân phiên GTP hoặc GDP. Ở trạng thái hoạt hóa thì gắn với GTP. Thủy phân GTP thành GDP nhờ sự tác động tổ hợp của RAS và protein GTPase activator (GAP) hoàn nguyên lại trạng thái bất hoạt. Bình thường thì sự hoạt hóa RAS phụ thuộc vào việc tương tác với SOS tác động với tư cách là yếu tố trao đổi nucleotide guanine (guanine nucleotide exchange factor –GEF) tải protein RAS có GTP thay vì GDP. Trạng thái hoạt hóa của các protein RAS bình thường tồn tại rất ngắn vì các RTK đi song song với việc SOS GEF kích hoạt GAP kích thích sự thủy phân GTP. Tuy nhiên, các đột biến amino acid của RAS ở các vị trí 12,13 hoặc 61 bao quanh vị trí gắn GTP đã làm cản trở việc ra vào của các protein GAP và trở thành trạng thái kích hoạt..

RAS là điểm nhánh tiếp theo trong mạng lưới tín hiệu được mô tả ở đây vì RAS kích hoạt sẽ tác động lên một số con đường gây ảnh hưởng tới sự tổng hợp protein, bộ xương TB và sự sống sót của TB, đáng chú ý là con đường PI3K. 

Con đường chính mà RAS chuyển tín hiệu gia tăng TB là thông qua sự tương tác với protein RAF. Ba protein RAF trong các TB người là các Ser/Thr protein kinase.

Cũng giống như nhiều protein kinase khác, chúng có chứa một domain điều hòa và một domain xúc tác đầu cuối C. Ở trạng thái bất hoạt, các gốc protein ở bào tương và sự hoạt động của kinase bị ngăn cản bởi domain điều hòa. RAS kích hoạt sẽ chuyển RAF tới màng TB và làm giảm sự ức chế của domain điều hòa. Điều thú vị là, hoạt tính của RAF cũng được điều tiết bởi sự phosphoryl hóa đoạn CR2 trong domain điều hòa của nó. Tyrosine trong domain này bị phosphoryl hóa bởi các kinase họ SRC, các gốc Serine và Threonine thì bị phosphoryl hóa bởi protein kinase C izozyme có thể được hoạt hóa gián tiếp qua PLC. Do vậy, đây là các mối liên lạc khác trong mạng lưới này. Trong một số ung thư người, BRAF bị biến đổi vì các đột biến điểm mà trở nên hoạt hóa quá mức. Các đột biến ở BRAF xảy ra ở một số khối u cũng giống như các đột biến xảy ra ở các gen RAS. Vì các protein RAS tác động lên một số con đường nên sự phát hiện này rất quan trọng để chứng minh rằng tín hiệu thông qua RAF là thực sự quan trọng đối với sự biến nạp. Đáng chú ý là, sự sửa đổi chủ yếu ở các oncogene v-raf retrovirus là làm bất hoạt domain điều hòa của protein tế bào.

RAF kích hoạt là thành viên đầu tiên trong thác protein kinase, ngoài ra thác này còn có các protein MEK và ERK. Các protein này còn có các tên khác như MAPK

(mitogen-activated protein kinase) cho ERK và MAPKK cho MEK. Các protein RAF vì thế có thể được coi như là MAPKKK hoặc MEKK. Có một số con đường song song MEKK bổ sung (phụ) ở các TB người. Hầu hết các TB người đều có chứa 2 protein kinase là MEK và ERK. MEK có tính đặc hiệu cao và phosphoryl hóa chủ yếu các protein ERK tại tyrosine và threonine trong trình tự TEY. ERK kích hoạt thì phosphoryl hóa nhiều cơ chất để hoạt hóa sự sinh tổng hợp protein, biến đổi cấu trúc khung TB và cảm ứng biểu hiện gen. Sự tương tác của MEK, ERK và MAPKK được hỗ trợ bởi các protein và tính đặc hiệu của nó được tăng cường nhờ các protein sàn (scaffold protein). Sự phosphoryl hóa MAPKK, MEK và ERK sẽ bị loại bỏ bởi một số protein phosphatase đặc hiệu và ít đặc hiệu kết thúc tín hiệu. Một số phosphatase khác như MKP1 (MAP kinase phosphatse 1) cũng được hoạt hóa bởi tín hiệu MAPK, trong khi đó các tín hiệu khác lại hoạt hóa cấu thành.

Tăng sinh tổng hợp protein và thay đổi khung TB xuất phát từ các tín hiệu MAPK ở tế bào chất là rất quan trọng đôí với sự tăng trưởng TB và cũng rất cần thiết cho sự dịch chuyển của TB. Đối với việc kích thích tăng sinh TB thì ngoài việc đòi hỏi phải thay đổi mô hình biểu hiện gen lại cần phải hoạt hóa chu kỳ TB ở trong nhân. Tín hiệu phân bào từ các yếu tố tăng trưởng cần để biến đổi sao chép, phần lớn được chuyển tiếp bởi thác tín hiệu MAPK. Các ERK kích hoạt sẽ phosphoryl hóa một số yếu tố sao chép (Hình 5.7) một cách trực tiếp hoặc kích thích các protein kinase khác như p90^RSKI để thực thi nhiệm vụ đó. Điều này làm cảm ứng sao chép một lượng gen lớn hơn sau đó lại được tổ chức như một thác mạng lưới trong nhân.

Bộ gen đầu tiên gây cảm ứng sự hoạt hóa con đường MAPK bởi các yếu tố tăng trưởng trong các TB “nghỉ ngơi” trước đây là các gen “đáp ứng sớm”. Điều đó có nghĩa là chúng bị cảm ứng bởi việc xử lý các TB yên lặng (quiescent cells) khi nuôi cấy TB với các yếu tố tăng trưởng hay huyết thanh. Trong số chúng có một số nằm trong danh sách các oncogene như  FOS, JUN, MYB và MYC. Quan trọng nhất trong số những gen ung thư  người này là MYC thường bị hoạt hóa bởi biểu hiện quá mức hoặc mất điều hòa và vì thế mà trở nên hoạt hóa không cần tín hiệu yếu tố tăng trưởng. Như một qui luật, FOS, JUN và MYB là rất cần thiết cho sự tăng trưởng ung thư người, nhưng nói một cách chính xác thì dường như chúng không thường xuyên tác động với tư cách là các oncogene. Cũng chưa rõ hoàn toàn là tại sao nó lại như thế. Nhưng có điều chắc chắn là các đối tác của gen này biến đổi và biểu quá mức một cách phi thường. Thực sự thì, việc biểu hiện quá mức các protein như FOS hoặc JUN cũng gây cảm ứng apoptosis trong một số TB người. 

Theo sau sự cảm ứng của chúng, các sản phẩm của gen “đáp ứng sớm” lại cảm ứng sự biểu hiện của các gen cần cho sự tiến triển chu kỳ TB một cách trực tiếp hay gián tiếp. Ở các TB bình thường một trong số các protein quan trọng nhất gắn với tín hiệu phân bào để điều hòa chu kỳ TB là cyclin D1 – sản phẩm của gen CCND1. Sự biểu hiện quá mức của Cyclin D1 do khuếch đại gen hay chuyển vị của CCND1 là rất quan trọng đối với một số ung thư người khác nhau. Tuy nhiên, cyclin D1 thường biểu hiện quá mức nhưng gen của nó lại không có biến đổi gì. Có khả năng đây là hệ quả của sự đột biến “thượng nguồn” trong con đường MAPK. Sự biểu hiện quá mức của nó (một phần) qua trung gian hiệu ứng sinh ung thư của những biến đổi này. Gen liên quan CCDN2 được biểu hiện trong một số giới hạn hơn các mô hơn là CCDN1. Có điều rất phù hợp là sự biểu hiện quá mức và sự khuếch đại của gen này lại xảy ra một cách giới hạn hơn trong các khối u người, ví dụ như chỉ nổi bật trong các ung thư tinh hoàn. Các D-cyclin hoạt hóa kinase phụ thuộc cyclin thúc đẩy tiến triển chu kỳ TB. Sự khuếch đại và biểu hiện quá mức của CDK4 cũng quan sát thấy trong các ung thư người như u thần kinh đệm và u gan.

Kết cục, tín hiệu sinh lý học cho sự tăng sinh TB lại đòi hỏi phải đi song song một tín hiệu sự sống sót TB bởi cùng một yếu tố tăng trưởng và receptor của nó hoặc bởi một con đường bổ sung. Chẳng hạn như, các yếu tố tăng trưởng giống insulin cũng kích thích thác MAPK nhưng lại trao cho một tín hiệu sống sót mạnh hơn được trung gian qua PI3K. Vì thế, việc biểu hiện quá mức các yếu tố tăng trưởng giống insulin IGF1 và IGF2 cũng như PI3K và kinase AKT ở hạ nguồn của nó phải được xem như là một sự kiện sinh ung thư ở nhiều ung thư người. Còn một cách khác, sự chết TB do apoptosis được coi như là hệ quả của sự kích thích không thích hợp sự tăng sinh TB, có thể được ngăn chặn bằng cách biểu hiện quá mức các protein sinh ung thư như BCL2. Đây là một sự kiện quan trọng trong bệnh u nang lympho (follicular lymphoma), nhưng sự thay đổi như thế này hoặc tương đương cũng phát hiện thấy ở các ung thư huyết khác cũng như nhiều carcinoma. Sự đồng bộ giữa oncogene kích thích tăng sinh TB và oncogene ngăn chặn apoptosis được cảm ứng bởi sự kích thích này đã rõ ràng ở nhiều ung thư người, minh bạch nhất là trong các u lympho xác định. Đây là một ví dụ khác về sự hợp tác giữa các oncogene.

Vì các ung thư người tích lũy nhiều biến đổi di truyền và biến đổi epigenetic trong quá trình tiến triển của chúng nên trong một ung thư điển hình thì nhiều gen được biểu hiện quá mức và nhiều sản phẩm của chúng được hoạt hóa quá mức và một số còn biểu lộ các đột biến. Nhiều gen này cũng có thể quan trọng về mặt chức năng và chúng đã thúc đẩy tăng trưởng khối u. Thật là hấp dẫn khi xem xét tất cả các gen thuộc thể loại này với tư cách là oncogene, đặc biệt là nếu nó bộc lộ ra các tính chất hóa sinh thích đáng như hoạt tính của một protein kinase hay sự liên kết DNA. Tuy nhiên, trong ngữ cảnh ung thư người thì phải hết sức thận trọng. Sở dĩ như vậy là vì nhiều ung thư đã phát triển qua một thời kỳ rất dài với nhiều hiển thị về sự bất ổn định hệ gen và/hoặc tăng tỷ lệ các đột biến điểm. Như một hệ quả, có thể có một lượng lớn các gen có những biến đổi trong các trình tự của chúng và số lượng những biến đổi này trong một dòng khối u xác định chắc chắn là dư thừa rất nhiều so với yêu cầu cho sự tăng trưởng của nó.

TÓM TẮT 

Nhóm thứ nhất các gen ung thư đã được phát hiện trong những hệ gen của các retrovirus biến nạp cấp, gây nên các ung thư máu hoặc ung thư mô mềm ở các vật chủ của chúng là động vật có vú hay gia cầm. Chúng tác động với cách thức trội và làm biến đổi các đặc tính tăng trưởng cũng như hình thái học trên các TB đích đặc hiệu ở trung mô hoặc hệ thống tạo máu.

Nhóm thứ 2 các gen ung thư bao gồm các tiền gen ung thư của vật chủ (host ptotooncogene), nó trở nên hoạt hóa khi được cài thêm vào các retrovirus biến nạp chậm làm gián đoạn sự điều hòa của chúng.

Chèn retrovius chỉ là một trong số các cơ chế có thể hoạt hóa các tiền gen ung thư thành gen ung thư tác động trội. Các cơ chế khác bao gồm chuyển vị NST, khuếch đại gen và đột biến điểm. Những cơ chế này làm biến đổi sự điều hòa và/hoặc chức năng của các TB qua đó mà kích hoạt từ tiền gen ung thư thành gen ung thư. Như một hệ quả của những sự biến đổi này, các sản phẩm protein của chúng trở nên biểu hiện quá mức hoặc mất điều hòa và/hoặc trở nên hoạt hóa quá mức hoặc định vị sai trong tế bào.

Các gen ung thư (oncogene) của các retrovirus biến nạp cấp trên thực tế cũng bắt nguồn từ các gen của vật chủ và trở nên mất điều hòa hoặc hoạt hóa quá mức do biểu hiện các lặp cuối dài của retrovirus và do các đột biến. Một số gen như NRAS, KRAS, ERBB1 và MYC tương đồng với oncogene virus “bật lên” sự biểu hiện quá mức hoặc gây đột biến trong các ung thư người. Các trình tự gen tương đồng (ortholog) tế bào của các oncogene retrovirus khác thì có sự liên quan tinh tế hơn trong các ung thư người.

Nhiều gen tiền ung thư điều hòa sự tăng sinh, sự biệt hóa TB cũng như sự sống sót của chúng ở trạng thái bình thường. Một số thì tác động với tư các là các yếu tố tăng trưởng ngoại bào, một số lại như các receptor và một số là các yếu tố thích nghi (adaptor) hay yếu tố chuyển đổi (transducer) màng TB trong các thác tín hiệu xuất phát từ các receptor yếu tố tăng trưởng hay các receptor màng. Một lớp lớn các sản phẩm của gen tiền ung thư là các protein kinase. Chúng bao gồm các receptor yếu tố tăng trưởng có hoạt tính tyrosine kinase chính yếu. Các kinase khác thì định vị ở tế bào chất. Một nhóm lớn khác các tiền gen ung thư bao gồm các yếu tố sao chép hoạt động trong nhân. Do vậy, các oncogene có thể được xếp loại theo sự định vị TB và/hoặc các chức năng hóa sinh của chúng. Thực sự là, một số lượng vô cùng lớn các gen tiền ung thư thực hiện chức năng tương tác với các mạng lưới tín hiệu đơn, cốt lõi là thác MAP kinase phân bào, nó gắn với yếu tố tăng trưởng báo hiệu sự sao chép ở nhân trong chu kỳ TB, tuy nhiên nó cũng ảnh hưởng tới sự sinh tổng hợp protein và bộ khung tế bào.

Tín hiệu yếu tố tăng trưởng và thác MAPK được điều tiết rất chặt chẽ trong các TB bằng điều hòa thông tin phản hồi (feed back) và bằng đời sống bán phần ngắn (short half-life) của các trạng thái kích hoạt. Các đột biến oncogene làm cho các protein oncogene phụ thuộc vào các tín hiệu đầu vào, làm gián đoạn điều hòa thông tin phản hồi hoặc kéo dài trạng thái kích hoạt của chúng. 

Có một số rất ít trường hợp trong đó các oncogene đơn (single oncogene) đã đủ hiệu lực để biến nạp hoàn toàn một tế bào trở thành ác tính. Hơn nữa, một oncogene đơn cũng đã “ban tặng” một số diện mạo kiểu hình ác tính và hợp tác với các gen khác hay làm khiếm khuyết sự kiềm chế khối u để hoàn tất sự biến nạp. Mối quan hệ này đã vẽ lên bức tranh về các hệ thống phân tích tế bào như nguyên bào sợi phôi chuột, trong đó sự biến nạp đòi hỏi phải có tới 2 dạng oncogene khác nhau.

Các ung thư người, trong qua trình tiến tiển nó tích lũy rất nhiều biến đổi di truyền và biến đổi epigenetic. Ở một dạng ung thư điển hình thì có nhiều gen biểu lộ quá mức và cũng có nhiều gen hoạt hóa quá mức. Tuy nhiên, chỉ có một phần rất nhỏ trong số này là cần cho sự sống sót và duy trì tăng trưởng ung thư. Do vậy, chúng cũng được coi là các oncogene. Như vậy, định nghĩa chặt chẽ hơn thì một oncogene phải bộc lộ đầy đủ những đặc tính giống nhau này, còn việc biểu hiện quá mức hay kích hoạt quá mức của nó là do những biến đổi lớn trong gen, tức là do đột biến hay khuếch đại gen.