Bộ não lão hóa của những người mắc bệnh Alzheimer, Parkinson và các bệnh thoái hóa thần kinh khác tràn ngập các tập hợp protein rõ ràng trong hoặc xung quanh tế bào thần kinh của họ. Làm thế nào những khối protein này có thể gây hại cho tế bào thần kinh thường vẫn chưa rõ ràng, nhưng chúng là dấu hiệu đặc trưng của các tình trạng bệnh - và cho đến nay, chúng hầu như chỉ liên quan đến bộ não của người già.

Nhưng một nghiên cứu gần đây bởi một nhóm các nhà nghiên cứu của Đại học Stanford gợi ý rằng sự tổng hợp protein có thể là một hiện tượng phổ biến ở các tế bào lão hóa và có thể liên quan đến nhiều bệnh lão hóa hơn những gì chúng ta nghi ngờ. Khám phá của họ chỉ ra một cách suy nghĩ mới về những gì xảy ra trong tế bào khi chúng già đi và có khả năng là những cách mới để ngăn chặn một số hậu quả của quá trình lão hóa.

“Điều này rất phổ biến - không chỉ một mô cụ thể mà còn rất nhiều mô khác nhau,” cho biết. Della David, một nhà nghiên cứu về lão hóa tại Viện Babraham ở Cambridge, Anh, người không tham gia nghiên cứu.

Nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng quá trình tổng hợp protein được liên kết chặt chẽ với các cơ chế thiết yếu cho phép tế bào điều chỉnh sinh lý của chúng một cách tinh tế. Các nhà sinh học sẽ cần phải đánh giá cẩn thận, có thể tùy từng trường hợp cụ thể, xem liệu các tập hợp protein có phải là mối đe dọa đối với tế bào hay là biện pháp phòng vệ mà chúng đã tạo ra hay không.

Công trình mới, được đăng lên máy chủ in sẵn biorxiv.org vào tháng 3, là nỗ lực đầu tiên nhằm định lượng lượng tổng hợp protein xảy ra khắp cơ thể trong quá trình lão hóa tự nhiên của động vật có xương sống - trong trường hợp này là một loài cá có tuổi thọ rất ngắn. . Nghiên cứu cho thấy sự tổng hợp protein có thể góp phần làm nhiều mô bị thoái hóa dần dần theo thời gian. Những phát hiện này thậm chí còn đưa ra gợi ý về lý do tại sao những tập hợp này lại hiển hiện rõ ràng hơn nhiều trong não so với các mô khác: Có thể là do bộ não đã phát triển quá nhanh.

Dan Jarosz, nhà sinh vật học hệ thống Stanford, người giám sát các thí nghiệm cùng với đồng nghiệp là nhà di truyền học của mình Anne Brunet, chưa được chuẩn bị cho việc có bao nhiêu protein tổng hợp trong cá già - hoặc tần suất những protein tương tự, ở dạng đột biến, có liên quan đến các bệnh thoái hóa. Ông nói: “Điều đó khiến tôi tự hỏi liệu có nhiều căn bệnh tuổi già mà hiện nay chúng ta chưa kết nối với sự tổng hợp protein trên thực tế có thể liên quan đến nó hay không”.

Manh mối từ một con cá

Cá Killi màu ngọc lam châu Phi sống trong các ao tạm thời ở Đông Phi hình thành trong mùa mưa. Khi cá gần hết vòng đời từ 4 đến 6 tháng, nó phát triển một loạt bệnh liên quan đến tuổi tác, bao gồm đục thủy tinh thể và những thay đổi liên quan đến não giống như rối loạn thoái hóa thần kinh như bệnh Alzheimer ở ​​người. Tuổi thọ ngắn ngủi của nó - ví dụ như ngắn hơn nhiều so với tuổi thọ của chuột thí nghiệm - và quá trình lão hóa tự nhiên nhanh chóng khiến nó trở thành mô hình lý tưởng để nghiên cứu quá trình lão hóa ở động vật có xương sống.

“Điều đáng chú ý ở loài cá này là không chỉ có sự tổng hợp protein, suy tim hay rối loạn chức năng não xảy ra khi lão hóa”, ông nói. Dario Valenzano, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Viện Sinh học Lão hóa Max Planck và Viện Lão hóa Leibniz, cả hai đều ở Đức, người đã tham gia khóa đào tạo sau tiến sĩ với Brunet. “Hầu như bất kỳ cơ quan và mô nào mà chúng ta quan sát đều sẽ trải qua một số biến đổi khá thảm khốc trong quá trình lão hóa.”

Nhóm Stanford đã tiến hành phân tích sâu rộng về protein trong cá killifish ở các giai đoạn trưởng thành và non khác nhau. Ở cá Killi già, họ phát hiện ra sự tổng hợp protein trong tất cả các mô mà họ quan sát: không chỉ não mà còn cả tim, ruột, gan, cơ, da và tinh hoàn. Hơn một nửa số protein tổng hợp dường như cho thấy xu hướng tổng hợp nội tại trong các thí nghiệm tiếp theo.

Nhưng chính xác thì loại protein nào được tổng hợp lại khác nhau đáng kể giữa các mô. Nhiều protein được biểu hiện ở mức cơ bản tương đương trong nhiều mô, tuy nhiên khi chúng tập hợp lại ở một mô thì chúng lại không kết tụ lại ở những mô khác.

David cho biết: “Mức độ đặc hiệu mô của hệ protein tổng hợp thật đáng kinh ngạc. Cô và các nhà nghiên cứu khác cho rằng lý do dẫn đến những khác biệt đó phản ánh cách tế bào duy trì chất lượng protein của chúng. Tế bào có bộ máy phức tạp để đảm bảo rằng các phân tử peptide dài, giống như chuỗi tạo nên protein được gấp lại đúng cách và thậm chí để đảm bảo rằng các peptide cuối cùng được cắt nhỏ để tái chế. Tuy nhiên, các mô có thể khác nhau về mức độ phụ thuộc vào các khía cạnh khác nhau của quá trình kiểm soát chất lượng protein và những điểm nhấn đó có thể thay đổi theo độ tuổi, Jarosz cho biết.

“Điều đó thực sự quan trọng, bởi vì một bí ẩn lớn trong sinh học con người là tại sao những bệnh thoái hóa thần kinh này lại đặc trưng về mô đến vậy”, ông nói. Cynthia Kenyon, phó chủ tịch nghiên cứu lão hóa tại công ty công nghệ sinh học Calico Life Sciences, người không tham gia vào bài báo của Stanford. Chẳng hạn, không ai thực sự biết tại sao các mảng protein amyloid của bệnh Alzheimer hình thành ở vùng hải mã của não và các tập hợp trong bệnh Parkinson lại đặc trưng cho các tế bào thần kinh dopamine. Bà nói: “Khả năng các tế bào khác nhau duy trì chất lượng protein của chúng một cách khác nhau “ít nhất cũng đưa ra lời giải thích khả dĩ cho lý do tại sao các mô khác nhau lại hoạt động khác nhau đến vậy”.

Tầm quan trọng của kiểm soát chất lượng

Có bằng chứng rõ ràng từ các nghiên cứu về giun và ruồi rằng nếu bộ máy duy trì sự ổn định của protein bị xáo trộn, động vật sẽ già đi nhanh hơn. Nếu con đường kiểm soát chất lượng protein được tăng cường về mặt di truyền, động vật có xu hướng sống lâu hơn. Điều này không có nghĩa là sự tổng hợp protein gây ra lão hóa, nhưng nó ngụ ý rõ ràng rằng cả hai có mối tương quan chặt chẽ với nhau.

Để thăm dò thêm mối quan hệ giữa sự tổng hợp protein và sự lão hóa, các nhà nghiên cứu của Stanford đã xem xét kỹ hơn các protein trong nhiều loại cá killifish đột biến già đi nhanh chóng một cách bất thường. Những con cá này có đột biến gen mã hóa enzyme telomerase, giúp bảo tồn độ dài của quá trình phân chia nhiễm sắc thể; động vật có đột biến telomerase thường già đi nhanh chóng.

Jarosz cho biết ông và các đồng nghiệp hy vọng sẽ phát hiện ra rằng trong ruột và các mô khác phát triển hoặc tự thay thế nhanh chóng sẽ có ít tập hợp hơn: Sự phân chia tế bào bổ sung sẽ mang lại cho các mô đang phát triển nhanh chóng nhiều cơ hội hơn để loại bỏ các tập hợp và tự thiết lập lại. Nhưng điều ngược lại mới đúng: các mô phát triển nhanh có nhiều protein tổng hợp và gấp sai hơn, đồng thời chúng già đi nhanh hơn các mô phát triển chậm.

Một lần nữa, các vấn đề về khả năng kiểm soát chất lượng protein của tế bào có thể là nguyên nhân. Nếu tế bào mất quyền kiểm soát các quá trình duy trì chất lượng protein của chúng thì thiệt hại từ các tập hợp có thể tích tụ nhiều hơn sau mỗi lần phân chia tế bào. Các mô phát triển nhanh có thể già đi nhanh hơn vì chúng có nhiều cơ hội tích tụ tác hại đó.

Ngưng tụ, tập hợp và Prion

Tại sao protein đôi khi tổng hợp lại phức tạp. Điều đáng ngạc nhiên là một phần câu trả lời hóa ra lại có mối liên hệ sâu sắc với một cơ chế thiết yếu gọi là ngưng tụ mà tế bào sử dụng để kiểm soát protein của chúng.

Các hình dạng 3-D phức tạp mà các peptide gấp lại trước đây được coi là quyết định các hoạt động và chức năng của các protein mà chúng tạo nên. Nhưng trong khoảng một thập kỷ gần đây, người ta phát hiện ra rằng danh sách protein ngày càng tăng có vùng “rối loạn nội tại” và không thể gấp lại thành hình dạng ổn định. Trong điều kiện thích hợp, vô số protein này tập hợp thành các giọt hoặc chất ngưng tụ - một quá trình có thể đảo ngược giống như “tách pha” khiến dầu tạo thành các giọt trong nước. Nó có thể tăng cường hoạt động của enzyme bằng cách tập trung enzyme cùng với cơ chất của chúng hoặc ngăn chặn hoạt động bằng cách cô lập enzyme ra khỏi cơ chất của chúng. Bằng cách thay đổi nồng độ cục bộ của chất nền và enzyme bên trong chúng, tế bào có thể sử dụng chất ngưng tụ để điều chỉnh hoạt động protein của chúng.

Nhưng các vùng protein bị rối loạn cũng có thể khiến chúng dính chặt với nhau lâu hơn dưới dạng tập hợp, làm dính các tế bào và tàn phá. Tệ hơn nữa, một số protein bị lỗi không chỉ gấp sai và tự tổng hợp mà còn khiến các protein khác cùng loại bị gấp sai, dẫn đến phản ứng tổng hợp dây chuyền. Về mặt khái niệm, điều này tương tự như những gì xảy ra trong “bệnh bò điên” và hội chứng Creutzfeldt-Jakob biến thể, trong đó các protein gấp nếp bất thường gọi là prion xúc tác một làn sóng tập hợp protein bất thường trong não.

Do đó, ngưng tụ là một cơ chế kiểm soát đi kèm với rủi ro. Nhưng xét về mặt tiến hóa, những lợi ích của nó rõ ràng là rất đáng kể đến mức cái giá phải trả - tính dễ bị tổn thương đối với nhiều bệnh liên quan đến lão hóa - dường như đáng phải trả, Jarosz nói.

Một minh họa rõ ràng về điều này xuất hiện trong bản in thứ hai được đăng vào tháng 3, trong đó nhóm Stanford cắm vào trên một loại protein có tên DDX5 được tổng hợp trong não cá killi đang lão hóa. DDX5, hoạt động mạnh nhất ở trạng thái ngưng tụ, phục vụ nhiều chức năng quan trọng trong cơ thể, thường giúp đảm bảo rằng các protein khác được tạo ra đúng cách. Từ trình tự axit amin của nó, các nhà nghiên cứu dự đoán rằng DDX5 có khả năng hoạt động giống như một prion và công việc tiếp theo của họ đã xác nhận điều đó: Một protein DDX5 bị sai lệch sẽ thúc đẩy quá trình gấp sai và kết tụ của các phân tử DDX5 khác.

Nhưng sự tổng hợp không dừng lại ở đó: Các nhà nghiên cứu của Stanford cũng tìm thấy nhiều loại protein khác trong các khối DDX5. Các tập hợp đôi khi có thể hoạt động như những “đốm dính” bẫy các protein khác, can thiệp bừa bãi vào các chức năng của tế bào, giải thích John Labbadia, phòng thí nghiệm của ông tại Đại học College London nghiên cứu về kiểm soát chất lượng protein và quá trình lão hóa.

Ông nói: “Nó gợi ý rằng chúng ta có những… protein tổng hợp theo tuổi tác và điều đó thực sự có thể xúc tác cho quá trình tổng hợp protein thêm theo cách giống như prion, điều chưa từng được thể hiện trước đây”.

Nhóm Stanford đã cẩn thận thiết lập vùng nào của protein DDX5 giúp quá trình ngưng tụ có thể kiểm soát hoạt động của nó - và hóa ra đó cũng chính là vùng khiến nó dễ bị kết tụ. Việc kiểm soát chức năng tự nhiên của protein và xu hướng tổng hợp của nó có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. “Đó là Catch-22,” Labbadia nói.

Jarosz nói: “Một trong những thay đổi thú vị trong tư duy của tôi là miền hỗn loạn không cần thiết cho hoạt động như được định nghĩa rất hẹp”. “Nhưng xét về cách hoạt động đó thực sự được triển khai trong hệ thống sống thì nó thực sự cực kỳ quan trọng.”

Bệnh lý hay bảo vệ?

Kenyon cho biết chính xác điều gì kích hoạt sự hình thành các tập hợp và mức độ rắc rối mà chúng gây ra cho tế bào vẫn là “một cuộc tranh cãi lớn, tuyệt vời, lớn trong lĩnh vực này”. Một mặt, tổng hợp DDX5 cô lập và các protein khác, loại bỏ một cách hiệu quả các chức năng quan trọng của tế bào. Nhưng các chất tổng hợp cũng có thể có tác dụng bảo vệ sự sống của tế bào.

Một ví dụ điển hình về tác dụng bảo vệ này xuất hiện từ các nghiên cứu về protein Huntingtin, loại protein có nhiều nhất trong não. Huntingtin rất cần thiết cho sự phát triển lành mạnh của hệ thần kinh, nhưng ở những người mắc bệnh Huntington, một đột biến khiến protein Huntingtin dài bất thường. Protein dài sau đó sẽ bị cắt thành các đoạn nhỏ hơn, độc hại, gây tổn hại cho hệ thần kinh.

Trong 2004, Steve Finkbeiner, một nhà nghiên cứu về lão hóa tại Viện Gladstone và Đại học California, San Francisco, đang nghiên cứu sự tổng hợp protein Huntingtin trong tế bào thần kinh nuôi cấy. Nhóm của ông đã chỉ ra rằng mặc dù tất cả các tế bào thần kinh biểu hiện protein Huntingtin bất thường đã chết theo thời gian, nhưng các tế bào thần kinh có tập hợp protein Huntingtin đã chết. sống sót lâu hơn hơn những người không có.

Finkbeiner giải thích trong email gửi tới: “Đó là bằng chứng đầu tiên cho thấy sự hình thành [tổng hợp] là một phản ứng đối phó với các dạng protein siêu nhỏ khác đang gây ra rắc rối”. Quanta.

Kể từ đó, ông và những người khác đã chứng minh rằng phản ứng tổng hợp bảo vệ này cũng xảy ra ở các bệnh thoái hóa thần kinh khác. Nó có thể giải thích sự thất bại lặp đi lặp lại của các thử nghiệm thực nghiệm nhằm điều trị bệnh Alzheimer bằng cách nhắm vào các mảng bám, ông nói: Nếu các mảng amyloid đặc trưng của bệnh hình thành để liên kết một cách bảo vệ với protein khiếm khuyết, thì việc phá vỡ các mảng bám có thể gây hại nhiều hơn là có lợi.

Finkbeiner viết: “Đó là một khái niệm khó nắm bắt đối với con người, vì có vẻ trực quan rằng những thứ trông bất thường thì phải là 'xấu' và gây bệnh. “Nhưng sinh học rất phức tạp, có nhiều vòng phản hồi, vì vậy điều quan trọng là mọi người không nên dại dột đưa ra kết luận.”

Một thách thức phổ quát với nhiều giải pháp

Bức tranh nổi lên rõ ràng hiện nay là sự tập hợp protein không phải là hiện tượng chỉ giới hạn ở các bệnh thoái hóa thần kinh: Nó là một phần của mọi tế bào sống đủ lâu để già đi. Nhiều protein bình thường, quan trọng trong quá trình phát triển như DDX5 có xu hướng tổng hợp và việc đối phó với sự kết tụ này là một thách thức chung mà mọi tế bào phải giải quyết.

Vì các tế bào đã phải giải quyết vấn đề này trong một thời gian rất dài nên việc ngăn chặn sự kết tụ có thể là động lực chính trong quá trình tiến hóa của các chuỗi protein. Vì lượng protein dồi dào có xu hướng tập hợp và các đột biến làm tăng xu hướng đó nên chọn lọc tự nhiên chống lại đột biến ở lượng protein dồi dào có thể sẽ rất mạnh. (Kết luận đó được hỗ trợ bởi quan sát rằng ở động vật trẻ, lượng protein dồi dào hơn có xu hướng có tỷ lệ đột biến thấp hơn.) Vì vậy, protein khan hiếm có thể tiến hóa nhanh hơn protein dồi dào và tốc độ tiến hóa nhanh hơn sẽ tương quan với xu hướng tổng hợp.

Brunet và Jarosz quan sát thấy hiệu ứng này rõ rệt nhất trong não của cá killifish. Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng những protein tổng hợp đó có thể là chìa khóa cho những đổi mới trong cơ quan. Nếu vậy, những thay đổi tiến hóa trong não khiến nó trở thành một cơ quan quan trọng như vậy ở động vật có xương sống cũng có thể khiến cơ quan này dễ bị tổn thương hơn trước các bệnh thoái hóa do tập hợp.

Thật vậy, có khả năng là mọi mô và cơ quan đều phải tìm ra sự cân bằng hoặc sự cân bằng khác nhau giữa thực hiện công việc của mình và quản lý quá trình tổng hợp protein, Jarosz nói. Mỗi mô đều có những yêu cầu chức năng riêng biệt và những ràng buộc phải tuân theo: Tế bào ruột chuyển hóa liên tục; tế bào nội tiết tạo ra và tiết ra hormone; các tế bào miễn dịch bắt đầu hành động khi chúng phát hiện những kẻ xâm lược; não xử lý thông tin. Các công việc khác nhau đòi hỏi các loại protein khác nhau, điều đó có nghĩa là các chiến lược phát triển để đối phó với quá trình tổng hợp protein sẽ khác nhau tùy theo từng mô và từ động vật này sang động vật khác. Bởi vì bộ não của động vật có xương sống trong quá khứ tương đối gần đây đã tiến hóa rộng rãi và nhanh chóng hơn rất nhiều so với cơ bắp, nên bộ máy kiểm soát chất lượng protein của nó có thể chưa có đủ thời gian để phát triển các biện pháp bảo vệ thích hợp chống lại sự tổng hợp của các protein tương đối mới.

Tuy nhiên, vấn đề cơ bản về sự tổng hợp protein vẫn tồn tại ở tất cả các sinh vật hàng ngày, không chỉ trong thời gian bệnh tật hoặc căng thẳng nghiêm trọng. David cho biết DDX5 giống prion và các protein tương tự “có xu hướng tổng hợp nội tại và sinh vật cố gắng tự bảo vệ mình trước sự tổng hợp”. “Đó là điều gì đó về mặt sinh lý mà tất cả chúng ta đều phải đối mặt.”

Và thực tế là sự tổng hợp protein khắp cơ thể là một yếu tố gây ra sự lão hóa của các sinh vật khác nhau như nấm men, giun, ruồi, cá, chuột và con người, bà nói thêm, “có nghĩa là chúng ta, với tư cách là một cánh đồng, phải trả nhiều tiền hơn chú ý đến điều này.”