Cơ thể của chúng ta luôn phải đối mặt với nguy cơ bị tấn
công bởi hằng hà sa số các vi sinh vật (VSV), bao gồm siêu vi, vi khuẩn, sinh vật
đơn bào, nấm. May mắn thay, hệ miễn dịch đã hoạt động như một rào cản chống lại
sự xâm nhập của các vi sinh vật này. Thế nhưng điều gì đã cảnh báo cho cơ thể
biết các mối nguy hiểm? Lám thế nào mà vi sinh vật lại bị cơ thể phát hiện? Sự
khám phá ra các protein nhạy cảm với VSV, Toll-like receptor (TLR), đã giúp
chúng ta trả lời những câu hỏi trên.
Toll-like receptor có
vai trò gì?
TLR giúp phát hiện một số lượng lớn các loại mầm bệnh ở người,
cũng như có thể phát hiện các phân tử chỉ điểm tình trạng tổn thương mô, bằng một
tiến trình được gọi là nhận diện khuôn mẫu (pattern recognition). Các thụ thể
này khởi động 2 nhánh của đáp ứng miễn dịch: miễn dịch bẩm sinh và miễn dịch
thích ứng. Miễn dịch bẩm sinh sẽ cho hiệu quả bảo vệ tức thời, Tuy nhiên, loại
này có tính đặc hiệu kém, do đó nó sẽ gây ra cả những tổn thương cho mô lành nếu
được hoạt hóa quá mức. Miễn dịch thích ứng, ngược lại, hình thành nên các
lympho bào B chế tiết kháng thể và các lympho T độc tế bào vốn có hiệu quả và
có tính chuyên biệt cao đối với bệnh nguyên. Kém may mắn thay, loại miễn dịch
này cần nhiều thời gian hơn để hoạt hóa.
Nhận diện khuôn mẫu
và Toll
Tế bào người chỉ có khoảng 25.000 gene có khả năng mã hóa
protein, do đó, việc có từng gene chuyên biệt (và 1 thụ thể chuyên biệt) liên
quan việc nhận diện từng loại VSV là điều không tưởng. Nếu đã như vậy thì, bằng
cách nào mà cơ thể lại có thể phát hiện mọi loại tác nhân gây bệnh, mặc dù thậm
chí chưa hề tiếp xúc với chúng trước đó? Vào năm 1989, Charles Janeway đã đưa
ra 1 giả thuyết cho rằng các tế bào đã sử dụng khả năng nhận diện kiểu mẫu để
phát hiện VSV gây bệnh. Nói cách khác, các thụ thể sẽ gắn với những khuôn/kiểu
mẫu cấu trúc, được gọi là các kiểu mẫu phân tử liên quan bệnh nguyên
(PAMPs-pathogen-associated molecular patterns), vốn hiện diện trong những nhóm
lớn VSV gây bệnh, nhưng không hiện diện ở chủ thể (con người). Theo thuyết của
Janeway, các thụ thể sẽ không nhận diện chính xác từng loại VSV riêng biệt mà
thay vào đó, chúng chỉ nhận diện bệnh nguyên như một sinh vật lạ xâm nhập từ bên
ngoài.
10 năm sau, thuyết của Janeway đã được chứng thực thông qua
việc phát hiện TLR trên ruồi giấm Drosophilia.
Trong tiếng Đức, “Toll” có nghĩa là “tuyệt vời, thú vị”.
Figure 1: các thụ thể
phát hiện nhiễm trùng
Toll-like receptor nhận
diện VSV bằng cách gắn với các kiểu mẫu phân tử liên quan bệnh nguyên. Chữ viết
tắt: lipopolysaccharide (LPS), lipoteichoic acid (LTA), lipoproteins (LPs),
glycophosphatidylinositol (GPI). Các thụ thể nhận diện các kiểu mẫu khác của bệnh
nguyên cũng đã được xác định, chẳng hạn như: transmembrane C-type lectin
receptors (CLRs) có vai trò nhận diện nấm; các thụ thề chế tiết (collectins,
ficolins, và pentaxins) hoạt hóa hàng rào bảo vệ bẩm sinh liên quan bổ thể và
thực bào; cytosolic RIG-1-like receptors (RLRs) phát hiện siêu vi; và cytosolic
nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat-containing receptors (NLRs)
phát hiện bệnh nguyên và các tín hiệu stress.
Những hiểu biết về
TLR
Trong nghiên cứu, một số thành phần vi khuẩn, ví dụ như lipopolysaccharide (LPS) có thể sử dụng để
tạo ra bệnh cảnh nhiễm trùng huyết thay vì phải dùng toàn tế bào (vi khuẩn).
LPS hiện diện ở vách của tất cả cả vi khuẩn Gram (-), và do đó, đây là một ví dụ
cho PAMPs theo thuyết của Janeway. Thông qua những nghiên cứu trên chuột,
Poltorak và cs. (1998) đã chỉ ra rằng TLR4 là thụ thể của LPS. Cho đến nay, đã
có ít nhất 10 loại TLR được phát hiện. TLR 1, 2, 4, 5, và 6 sẽ gắn kết với các phối
tử (ligand) vốn là thành phần hiện diện trên vách và màng VSV gây bệnh, chẳng hạn
như: LPS và lipoteichoic acid có ở vách vi khuẩn, liprotein từ màng vi khuẩn, flagellin
(thành phần cấu trúc flagella). TLR 3, 7, 8, và 9 gắn kết với các acid nhân của
VSV gây bệnh, bao gồm RNA chuỗi đơn và DNA. Cần lưu ý là các TLR này không có
khả năng phân biệt các acid nhân của chủ thể nếu chỉ dựa vào sự khác biệt về cấu
trúc, sự nhận diện các acid nhân từ VSV gây bệnh phụ thuộc phần lớn vào vị trí
hiện diện trong tế bào. Do tất cả các phối tử trên đều đóng vai trò quan trọng
trong cấu trúc của VSV gây bệnh nên chúng không thể loại bỏ những phối tử này
ra khỏi cấu trúc để tránh bị TLR phát hiện. TLR cũng được phát hiện ở những
sinh vật bậc thấp như giun tròn C.
elegans và thực vật, chứng tỏ TLR có nguồn gốc tiến hóa từ rất xa xưa.
Cấu trúc TLR
TLR có cấu trúc cơ bản
điển hình của các protein xuyên màng. TLR ở người có khoảng 700-1000 acid amin
bao gồm phần ngoại bào, phần xuyên màng, và phần nằm trong bào tương tế
bào.Thông thường khi hoạt động, 2 kiểu TLR giống nhau sẽ kết hợp để tạo nên đồng
nhị trùng (homodimer). Tuy nhiên, dị nhị trùng (heterodimer) cũng đã được ghi
nhận (TLR1 với TLR2 và TLR6).
Vị trí hiện diện TLR
và sự biểu hiện chuyên biệt theo tế bào
TLR 1, 2, 4, 5, và 6 nằm ở màng tế bào. Ngược lại, TLR 3, 7,
8, và 9 nằm ở màng endosome và lysosome.
TLR có các kiểu biểu hiện phức tạp thay đổi theo các loại tế
bào chuyên biệt. Cần nhắc lại rằng tuy tất cả các tế bào đều mang cùng kiểu
gene, nhưng có thể có sự chuyên biệt hóa về mặt chức năng do có sự biểu hiện
gene khác nhau. TLR được biểu hiện chủ yếu ở các loại tế bào bạch cầu.
Các tín hiệu tổn
thương
Có một chỗ lắt léo trong câu chuyện về TLR. Đa số các nhà
khoa học đều đồng ý TLR hoạt động chuyên biệt để nhận diện VSV lạ, giúp cơ thể
phân biệt các phần tử tự thân và không tự thân (phân biệt các tế bào cơ thể với
VSV gây bệnh). Thế nhưng, lại có những bằng chứng thuyết phục cho thấy rằng TLR
có thể gắn kết với cả một số phối tử có nguồn gốc từ chủ thể. Tại sao hệ miễn dịch
lại phản ứng với các thành phần tự thân như thế? Giả thuyết được đưa ra là do
các phối tử này hoạt động như các tín hiệu báo tổn thương (DAMPs,
damage-associated molecular patterns) để báo động về tình trạng tổn thương của
mô và các tế bào cơ thể. Một số ví dụ cho tình trạng này: các thành phần nội
bào phóng thích từ nơi có tế bào chết do hoại tử, các sản phẩm giáng hóa của chất
nền ngoại bào.
Các tín hiệu tồn thương nội sinh (endogenous damage signals)
có thể kích thích một đáp ứng miễn dịch bẩm sinh không thích hợp và đưa đến những
phản ứng gây hại nhiều hơn lợi trong một số trường hợp không có nhiễm trùng. Một
ví dụ là tình trạng thiếu máu cục bộ thường gặp trong đột quỵ và ghép tạng. Các
tế bào chết trong quá trình thiếu máu cục bộ sẽ phóng thích các tín hiệu tổn
thương, và sự phục hồi tưới máu sẽ cho phép một nguồn bạch cầu đến gây đáp ứng
viêm đối với các tín hiệu này. Tình trạng viêm này đưa đến nhiều hủy hoại hơn tổn
thương ban đầu.
Sự truyền các tín hiệu
TLR
Sau khi TLR phát hiện các kiểu mẫu phân tử liên quan tổn
thương, chúng phải chuyển các tín hiệu này thành những thông điệp vào trong tế
bào thông qua sự truyền tín hiệu. Quá trình này liên quan nhiều protein kinase,
bao gồm IRAKs (IL-1R-associated kinases) và MAPKs (mitogen-activated protein
kinases). Chẳng hạn như, nếu gây ra một dạng IRAK4 khiếm khuyết ở chuột, chuột
sẽ trở nên kháng sốc nhiễm trùng và viêm mạn tính; vì vậy, có thể các chất ức
chế IRAK4 sẽ giúp ngăn ngừa sốc nhiễm trùng và viêm ở người. Đáp ứng cuối cùng
của các tế bào với kích thích TLR thường liên quan đến sự hoạt hóa các yếu tố
phiên mã (transcription factors) điều hòa sự biểu hiện của một số gene chuyên
biệt, đưa đến sự tăng sản xuất của hàng trăm loại protein, đa phần là các
cytokine.
Figure
2: cấu trúc và dòng thác tín hiệu của
TLR
(A) Cấu trúc của TLR được đặc trưng bởi
các protein màng type I: một phần xuyên màng (MB) nối với phần ngoại bào, và một
phần nằm trong bào tương. Các vùng cấu trúc nhỏ hơn được mô tả bằng những vòng
màu hình tròn hoặc tam giác. (B) kiểu mẫu này, dựa trên các dữ liệu tinh thể học
x-ray, đã cho thấy các chuỗi acid amin của 1 TLR gấp như thế nào trong không
gian 3 chiều. Hai phân tử protein giống nhau (màu xanh nhạt và màu đỏ) liên kết
để tạo thành một đồng nhị trùng (homodimer). (C) Sự dẫn truyền tín hiệu. Phối tử
gắn vào phần ngoại bào của thụ thể (không thể hiện trên hình) và tạo nên một sự
thay đổi về hình dạng từ đó hoạt hóa phần bên trong bào tương, cho phép sự gắn
kết và tập trung các protein thích ứng được xảy ra (MYD88, TRAM, TRIF, và
MAL/TIRAP). Các chất thich ứng sẽ hoạt hóa các protein trung chuyển khác bên
trong tế bào, và chuỗi tương tác protein-protein này sẽ tạo ra con đường dẫn
truyền tín hiệu liên kết một thụ thể được hoạt hóa với các đáp ứng của nó. Các
mục tiêu cuối cùng của TLR là những yếu tố phiên mã gắn kết DNA (VD, NF-kB và
IRFs) giúp kích hoạt sự biểu hiện của một số gen theo một số kiểu mẫu chuyên biệt
trong nhân. Hệ thống tín hiệu này được bảo tồn ở ruồi dấm Drosophilia và giun tròn C.
elegans.
Hướng phát triển
tương lai
Sự phát hiện ra TLR và vai trò của chúng đã cung cấp một cơ
hội mới trong việc phát triển thuốc ngăn ngừa và điều hòa đáp ứng miễn dịch.
Vai trò của TLR trong đáp ứng miễn dịch thích ứng vẫn chưa
được hiểu rõ, và đề tài này là một hướng mở quan trọng cho các nghiên cứu tương
lai. Vắc-xin cho các bệnh lý như AIDS, VGSV C, sốt rét, và thậm chí ung thư có
thể được tăng cường hiệu quả khi thêm các chất hoạt hóa TLR để hoạt hóa bạch cầu,
đưa đến một đáp ứng miễn dịch thích ứng hiệu quả hơn.
(Lược dịch từ bài viết Toll-like receptors: sensors that detect
infection của tác giả Peter Christmas đăng trên tạp chí Nature Education
3(9), 2010)
