Các protein “Methusalem” trong não

“Bạn là những gì bạn ăn.”

Vài năm trước đây, mình từng có một thời gian học tập tại Geneva, Thuỵ Sĩ. Một lần đi ăn trưa với bạn đồng nghiệp,
chúng mình bàn về việc sau một năm, bao nhiêu phần trăm protein trong cơ thể
mình sẽ “mang nguồn gốc châu Âu” so với “châu Á”.

Thực tế là:
Phần lớn protein trong cơ thể có tốc độ thay mới rất cao – chúng liên tục được tạo ra và bị phân hủy. Điều này hợp lý vì protein không có cơ chế sửa chữa chuyên biệt như DNA.

Tuy nhiên, có một số protein lại tồn tại rất lâu.

Nghiên cứu của Toyama và cộng sự đã xác định những protein sống lâu trong não. Có vẻ như các cấu trúc kiểm soát ra vào của nhân tế bào thần kinh được thiết kế để tồn tại gần như suốt đời, và khi chúng bị rối loạn, có thể góp phần vào các bệnh thần kinh.

“Nghịch lý của người ăn tạp”

Trong cuốn sách bán chạy năm 2006, Michael Pollan nhận xét rằng phần lớn thực phẩm ở Mỹ có nguồn gốc từ cây ngô ở Iowa, trực tiếp hoặc gián tiếp.

Điều này khác với châu Á, nơi ngô ít quan trọng hơn và lúa- một loại ngũ cốc khác đóng vai trò lớn hơn trong chuỗi thức ăn.

Để xác định một protein đến từ đâu (ví dụ từ ngô ở Iowa hay lúa ở Sóc Trăng) người ta có thể dùng đặc điểm của các acid amin, cụ thể là sự khác biệt về đồng vị (isotope).

* Đồng vị là các dạng của cùng một nguyên tố nhưng có số neutron khác nhau
* Một số đồng vị có tính phóng xạ, và tín hiệu này có thể dùng để đo lường

Trong phòng thí nghiệm, người ta dùng đồng vị để “đánh dấu” thức ăn tại một thời điểm cụ thể. Phương pháp này gọi là pulse–chase labeling.

Nhóm nghiên cứu của Toyama đã sử dụng phương pháp này để nghiên cứu tuổi thọ protein trong não chuột. Họ phân tích não ở nhiều thời điểm khác nhau, có những con được phân tích sau 12 tháng.

Kết quả:
Một số cấu trúc trong tế bào thần kinh thực sự tồn tại rất lâu.

Các cấu trúc tồn tại lâu dài

Các protein sống lâu trong não chủ yếu thuộc hai nhóm:

* Histone
* Protein lỗ nhân (nuclear pore proteins)

Histone là vật liệu giúp “đóng gói” DNA không hoạt động. Về mặt sinh học, hợp lý khi chúng không được thay mới nhanh vì chúng gắn rất chặt với DNA, và việc thay thế có thể làm rối loạn hoạt động của tế bào thần kinh.

Trong tế bào, DNA được bảo vệ trong nhân. Các protein lỗ nhân tạo thành một phức hợp lớn gồm hàng trăm protein, kiểm soát việc vận chuyển mRNA và protein giữa nhân và tế bào chất.

Tất cả mRNA đều phải đi qua những “cửa” này.

→ Vì vậy, các cấu trúc này rất khó thay thế

Nhưng điều đó cũng có mặt trái:
Nếu tồn tại quá lâu, chúng có thể tích tụ tổn thương.

Những tổn thương này có thể góp phần vào lão hóa và rối loạn thần kinh.

Liên quan bệnh lý

Đột biến trong gen RANBP2 (một protein của lỗ nhân) có thể gây:

* Bệnh não hoại tử cấp tính (acute necrotizing encephalopathy)
* Xảy ra sau nhiễm trùng như cúm hoặc parainfluenza ở trẻ trước đó khỏe mạnh

Điều này cho thấy hệ thống lỗ nhân rất quan trọng nhưng cũng mong manh.

Tóm tắt

Nghiên cứu của Toyama cho thấy:

* Một số protein trong não tồn tại rất lâu, đặc biệt trong neuron
* Tốc độ thay mới của chúng chậm hơn nhiều so với các cơ quan khác như gan
* Mức độ biểu hiện gen không phản ánh chính xác tuổi thọ của protein

Điều này cho thấy:

Tế bào thần kinh đạt được chức năng chuyên biệt (truyền tín hiệu)
Nhưng phải “đánh đổi” bằng việc không thể thay thế một số cấu trúc quan trọng

→ Điều này khiến neuron vừa đặc biệt, vừa dễ tổn thương

Tài liệu tham khảo

Toyama BH, Savas JN, Park SK, Harris MS, Ingolia NT, Yates JR 3rd, Hetzer MW. Identification of long-lived proteins reveals exceptional stability of essential cellular structures. Cell. 2013 Aug 29;154(5):971-982. doi: 10.1016/j.cell.2013.07.037. PMID: 23993091; PMCID: PMC3788602.

Hình: bữa ăn trưa cùng đồng nghiệp, nơi khởi đầu ý tưởng cho bài viết này.