Vi ống (Microtubule)

Cấu trúc

Vi ống được cấu tạo từ các protein hình cầu gọi là tubulin. Mỗi phân tử tubulin là một heterodimer, gồm hai tiểu đơn vị protein liên kết chặt chẽ với nhau: $\alpha$-tubulin và $\beta$-tubulin.

Các heterodimer tubulin trùng hợp (polymerize) theo chiều đầu-đuôi để tạo thành các protofilament. Thông thường, 13 protofilament sắp xếp song song theo hình trụ rỗng tạo thành vi ống. Sự sắp xếp này tạo nên cấu trúc rỗng đặc trưng của vi ống.

Vi ống có tính phân cực do sự sắp xếp định hướng của các heterodimer tubulin. Đầu có $\beta$-tubulin lộ ra được gọi là đầu cộng (+), còn đầu có $\alpha$-tubulin lộ ra được gọi là đầu trừ (-). Tính phân cực này ảnh hưởng đến sự phát triển và co rút của vi ống, cũng như hướng di chuyển của các protein vận động trên vi ống. Đầu cộng (+) thường là nơi diễn ra sự trùng hợp nhanh hơn, trong khi đầu trừ (-) thường liên kết với trung thể (centrosome) hoặc các cấu trúc tổ chức vi ống khác.

Chức năng

Vi ống đảm nhiệm nhiều chức năng quan trọng trong tế bào eukaryote:

• Duy trì hình dạng tế bào: Vi ống tạo nên một “bộ xương” bên trong tế bào, giúp duy trì hình dạng và độ cứng của tế bào. Chúng hoạt động như những thanh chống đỡ, giúp tế bào chống lại sự biến dạng.
• Vận chuyển nội bào: Vi ống đóng vai trò như “đường ray” cho các protein vận động (motor protein) như kinesin và dynein vận chuyển các bào quan, túi tiết và các phân tử khác bên trong tế bào. Kinesin thường di chuyển về phía đầu cộng (+), còn dynein di chuyển về phía đầu trừ (-). Sự vận chuyển này rất quan trọng cho việc phân phối các chất trong tế bào.
• Phân chia tế bào: Trong quá trình nguyên phân và giảm phân, vi ống tạo thành thoi phân bào, giúp di chuyển các nhiễm sắc thể về hai cực của tế bào. Sự hình thành và hoạt động chính xác của thoi phân bào là điều kiện cần thiết cho sự phân chia tế bào thành công.
• Vận động tế bào: Vi ống là thành phần cấu tạo nên roi (flagella) và lông (cilia), hai cấu trúc giúp tế bào di chuyển hoặc di chuyển chất lỏng xung quanh tế bào. Roi và lông có cấu trúc 9+2 đặc trưng với 9 cặp vi ống ngoại vi và 2 vi ống trung tâm.

Sự động lực học của vi ống

Vi ống là cấu trúc động, có thể phát triển (polymerization) bằng cách thêm các heterodimer tubulin vào đầu cộng (+) và co rút (depolymerization) bằng cách mất các heterodimer tubulin ở đầu cộng (+) hoặc đầu trừ (-). Quá trình này được gọi là “sự không ổn định động” (dynamic instability) và cho phép vi ống thích nghi với các thay đổi trong tế bào. Sự không ổn định động này được điều khiển bởi nồng độ tubulin tự do và các protein liên kết.

Các protein liên kết với vi ống (Microtubule-associated proteins – MAPs)

MAPs là các protein liên kết với vi ống và điều chỉnh chức năng của chúng. Một số MAPs ổn định vi ống, trong khi những MAPs khác thúc đẩy sự phát triển hoặc co rút của vi ống. MAPs đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa sự động lực học và chức năng của vi ống, ví dụ như tau, MAP2 và MAP4.

Vi ống là thành phần thiết yếu của bộ khung tế bào, đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình tế bào, từ duy trì hình dạng tế bào, vận chuyển nội bào, phân chia tế bào đến vận động tế bào. Sự hiểu biết về cấu trúc và chức năng của vi ống là rất quan trọng để hiểu hoạt động của tế bào eukaryote.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự động lực của vi ống

Sự polymer hóa và depolymer hóa của vi ống chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm:

• Nồng độ tubulin: Nồng độ tubulin tự do trong tế bào chất ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ polymer hóa. Nồng độ cao thúc đẩy polymer hóa, trong khi nồng độ thấp dẫn đến depolymer hóa.
• GTP: $\beta$-tubulin liên kết với GTP. Khi tubulin được gắn vào vi ống, GTP bị thủy phân thành GDP. Tubulin liên kết với GTP có ái lực cao hơn với vi ống so với tubulin liên kết với GDP. Sự thủy phân GTP ảnh hưởng đến sự ổn định của vi ống và góp phần vào hiện tượng “sự không ổn định động”.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ thấp ức chế sự polymer hóa, trong khi nhiệt độ cao thúc đẩy sự polymer hóa.
• Các chất ức chế: Một số thuốc, ví dụ như colchicine, vinblastine, và taxol, có thể liên kết với tubulin hoặc vi ống và ảnh hưởng đến sự động lực của chúng. Colchicine và vinblastine ức chế sự polymer hóa, trong khi taxol ổn định vi ống và ngăn cản sự depolymer hóa. Các chất này thường được sử dụng trong nghiên cứu và điều trị ung thư.
• Các protein liên kết với vi ống (MAPs): Như đã đề cập, MAPs có thể ảnh hưởng đến sự ổn định và động lực của vi ống.

Vai trò của vi ống trong một số bệnh lý

Sự rối loạn chức năng của vi ống có liên quan đến một số bệnh lý, bao gồm:

• Ung thư: Do vai trò của vi ống trong phân chia tế bào, các thuốc ức chế sự polymer hóa hoặc depolymer hóa của vi ống (như taxol, vinblastine) được sử dụng trong điều trị ung thư. Bằng cách ngăn chặn sự hình thành thoi phân bào, các thuốc này có thể ức chế sự phát triển của tế bào ung thư.
• Bệnh Alzheimer: Sự tích tụ protein tau bất thường, một loại MAP, có thể làm rối loạn chức năng của vi ống và góp phần vào sự thoái hóa thần kinh trong bệnh Alzheimer.
• Một số bệnh di truyền: Các đột biến trong gen mã hóa tubulin hoặc MAPs có thể gây ra các rối loạn di truyền ảnh hưởng đến chức năng của vi ống, ví dụ như hội chứng Kartagener, gây ra các vấn đề về hô hấp và khả năng sinh sản.

Phương pháp nghiên cứu vi ống

Một số phương pháp được sử dụng để nghiên cứu vi ống bao gồm:

• Kính hiển vi huỳnh quang: Sử dụng các kháng thể huỳnh quang đặc hiệu cho tubulin để quan sát vi ống trong tế bào.
• Kính hiển vi điện tử: Cung cấp hình ảnh chi tiết về cấu trúc của vi ống.
• Các kỹ thuật sinh hóa: Sử dụng để nghiên cứu sự tương tác giữa tubulin, MAPs và các phân tử khác. Ví dụ như kỹ thuật miễn dịch, sắc ký ái lực và điện di.

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002.
• Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000.

Câu hỏi và Giải đáp

Cơ chế phân tử nào chi phối sự “không ổn định động” của vi ống?

Trả lời: Sự “không ổn định động” của vi ống là kết quả của sự thủy phân GTP liên kết với $ \beta $-tubulin. Khi tubulin-GTP được thêm vào đầu cộng (+) của vi ống, GTP bị thủy phân thành GDP. Tubulin-GDP có ái lực thấp hơn với vi ống, dẫn đến sự depolymer hoá nếu nồng độ tubulin-GTP tự do thấp. Nếu nồng độ tubulin-GTP cao, sự polymer hoá tiếp tục diễn ra và “đầu GTP” được duy trì, ổn định vi ống.

Ngoài kinesin và dynein, còn protein vận động nào khác tương tác với vi ống?

Trả lời: Mặc dù kinesin và dynein là hai protein vận động chính trên vi ống, một số protein khác cũng tương tác với vi ống, ví dụ như dynactin, một phức hợp protein hỗ trợ dynein trong việc vận chuyển hàng hóa.

Làm thế nào các MAPs ảnh hưởng đến sự ổn định của vi ống?

Trả lời: MAPs ảnh hưởng đến sự ổn định của vi ống theo nhiều cách khác nhau. Một số MAPs, như Tau và MAP2, liên kết dọc theo chiều dài của vi ống và ngăn cản sự depolymer hoá. Các MAPs khác có thể liên kết với đầu cộng (+) hoặc đầu trừ (-) của vi ống và điều chỉnh tốc độ polymer hoá hoặc depolymer hoá.

Sự rối loạn chức năng của vi ống có liên quan đến những bệnh lý nào khác ngoài ung thư và bệnh Alzheimer?

Trả lời: Ngoài ung thư và bệnh Alzheimer, rối loạn chức năng của vi ống còn liên quan đến nhiều bệnh lý khác, bao gồm một số bệnh di truyền như hội chứng Kartagener (gây ra các vấn đề về hô hấp và vô sinh do bất thường ở lông chuyển), bệnh loạn dưỡng cơ và một số bệnh lý thần kinh.

Những kỹ thuật hình ảnh tiên tiến nào được sử dụng để nghiên cứu sự động lực của vi ống trong tế bào sống?

Trả lời: Ngoài kính hiển vi huỳnh quang và kính hiển vi điện tử, các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến khác như kính hiển vi tấm sáng cấu trúc (structured illumination microscopy – SIM) và kính hiển vi siêu phân giải (super-resolution microscopy) đang được sử dụng để nghiên cứu sự động lực của vi ống trong tế bào sống với độ phân giải cao hơn và trong thời gian thực. Kính hiển vi lá sáng (light sheet microscopy) cũng cho phép quan sát sự động lực của vi ống trong các mẫu mô 3D.