Hêlicaza

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm
Hình 1: Hêlicaza tác động chính vào liên kết hyđrô (vạch ngang màu đỏ), góp phần tháo xoắn và tách hai đoạn mạch.

Hêlicaza là enzym dãn xoắn và tách mạch kép của axit nuclêic do có khả năng cắt các liên kết hyđrô đã hình thành giữa các cặp nuclêôtit bổ sung nhau (hình 1).[1], [2], [2]

Tên "hêlicaza" bắt nguồn từ tiếng Anh helicase (phát âm tiếng Anh: /hel-i-keyz/, phiên âm tiếng Việt: hê-li-kêy-zơ), trong đó tiền tố heli- lấy từ tiếng Latinh "helix"(nghĩa là xoắn) kết hợp với hậu tố -aza để chỉ chức năng enzym của hợp chất theo cách phiên âm quen thuộc dùng trong Sinh hoá phổ thông.[3], [4] Đừng nhầm với topôizômêraza (topoisomerase) có khả năng tháo xoắn và đóng xoắn axit nuclêic.

Đặc điểm[sửa | sửa mã nguồn]

  • Hêlicaza có bản chất là loại prôtêin xúc tác, không thay đổi thành chất nào khác sau khi hoàn thành phản ứng mà nó tham gia.
  • Hêlicaza thuộc nhóm enzym thuỷ phân, cắt bỏ liên kết hyđrô đã hình thành giữa các nuclêôtit bổ sung nhau trong chuỗi mạch đơn hoặc mạch kép pôlynuclêotit của axit nuclêic.
  • Hêlicaza, do đó đã góp phần "nắn" thẳng pôlynuclêotit, đồng thời tách mạch kép thành hai mạch đơn, tạo điều kiện cho nhiều hoạt động khác của axit nuclêic cũng như các quá trình sinh học khác trên phân tử này.
  • Hêlicaza có nhiều loại khác nhau, có loại chỉ tác động trên ADN (phân tử mục tiêu), hoặc chỉ lấy ARN làm mục tiêu.
  • Hêlicaza luôn cần năng lượng để hoàn thành chức năng xúc tác của chúng, nguồn năng lượng này trong tế bào sông thường là ATP và nó có thể tự khai thác năng lượng này.
  • Hêlicaza là enzym chỉ tác động lên riêng cơ chất của nó là axit nuclêic (ADN và ARN). Ở cấp độ phân tử, cơ chất này gọi là phân tử đích hay phân tử mục tiêu của nó.

Lược sử nghiên cứu[sửa | sửa mã nguồn]

Hêlicaza đầu tiên được phát hiện ở trực khuẩn lị E. coli vào năm 1976. Lúc đó nó được mô tả là một "enzyme tháo xoắn ADN, tìm thấy trong các đoạn ADN kép đã biến tính trong một phản ứng phụ thuộc ATP". Sau đó, các nhà khoa học phát hiện thêm nhiều loại hêlicaza khác nhau: không chỉ tác động vào ADN, mà còn vào cả ARN; không chỉ có ở vi khuẩn (nhân sơ), mà còn rất phổ biến ở nhân thực. Các nhà khoa học đã phân lập được ít nhất 14 loại hêlicaza từ các sinh vật đơn bào, 6 hêlicaza từ vi khuẩn, 12 từ virus, 15 từ nấm men, 8 từ thực vật, 11 từ tuyến ức thú, và khoảng 25 loại khác nhau từ người. Sau đây là các thời điểm chính trong lịch sử nghiên cứu tính đến năm 2004.[5], [6]

  • 1976 - Khám phá và phân lập hêlicaza ADN đầu tiên ở E. coli.
  • 1978 - Khám phá hêlicaza ADN nhân thực đầu tiên, phân lập từ cây hoa li (Lilium thuộc Chi Loa kèn).
  • 1982 - Phát hiện "Prôtêin gen 41 ở T4" là loại đầu tiên được tìm thấy ở virut (T4 kí sinh vi khuẩn).
  • 1985 - Phân lập hêlicaza ADN của loài thú đầu tiên từ tuyến ức bê.
  • 1986 - Phát hiện ATPase III có chức năng hêlicaza ADN.
  • 1988 - Khám phá bảy vùng axit amin bảo tồn được xác định là do hoạt động hêlicaza.
  • 1989 - Phân loại 2 siêu họ I và II.
  • 1989 - Nhận dạng họ hêlicaza theo "hộp DEAD"
  • 1990 - Chiết xuất được hêlicaza ADN của người.
  • 1992 - Chiết xuất hêlicaza ADN ty thể từ não bò.
  • 1996 - Khám phá ra hêlicaza ADN lục lạp từ hạt đậu.
  • 2002 - Chiết xuất thành công và mô tả đặc tính sinh hoá đầu tiên của hêlicaza ADN ở động vật nguyên sinh Plasmodium cynomolgi (thuộc Chi trùng đế giày kí sinh ở khỉ).

Động học hêlicaza[sửa | sửa mã nguồn]

Động học enzym là lĩnh vực phức tạp và chuyên sâu, ở đây chỉ trình bày kiến thức cơ bản.

Cấu trúc[sửa | sửa mã nguồn]

Hêlicaza có nhiều loại, cấu trúc rất đa dạng và phức tạp. Thêm vào đó, mỗi loại hêlicaza khi chưa được kích hoạt và khi đang hoạt động luôn có cấu trúc khác nhau. Nhờ nỗ lực của nhiều nhà nghiên cứu, người ta thu được những hiểu biết ngày càng nhiều, mà trong mục này chỉ giới thiệu cho bạn ở mức đơn giản.

  • Mỗi hêlicaza khi hoạt động, thường ở trạng thái đa hợp phân tử (oligomeric), có thể ở dạng đồng hợp phân tử (homomeric) hoặc dị hợp phân tử (heteromeric), luôn liên kết với NTP (thường là ATP) và còn có thể liên kết với các chất khác.
  • Chẳng hạn, hêlicaza ADN B (dnaB helicase) ở vi khuẩn E.coli thuộc nhóm mã 1JWE và nhiều loại tương tự là tập hợp 6 phân tử (hexameric tức lục hợp phân tử) như biểu diễn ở hình 2, trong đó, mỗi phân tử là một tiểu đơn vị. Sáu tiểu đơn vị này tạo thành một cấu trúc hình vòng và được ổn định nhờ ràng buộc với NTP (GTP, CTP, TTP và thường là ATP) và có thể với ion kim loại, kết nối với cơ chất của nó (là axit nuclêic). Hầu hết các dữ liệu nghiên cứu thu được đều phù hợp với "mô hình vòng" này và cho rằng tập hợp lục hợp phân tử này tạo thành một cái "nhẫn" tí hon (helicase ring), bao quanh axit nuclêic mà nó xúc tác, vừa làm làm giảm khả năng nó bị rơi khỏi cơ chất, lại vừa giúp nó chuyển vị đúng hướng là "chạy" dọc chuỗi pôlynuclêôtit mà nó "ôm". Cái "nhẫn" này vừa ôm, vừa trượt dọc trên sợi ADN mục tiêu của nó (hình 3).[7], [8] Hầu hết hêlicaza có trạng thái đa hợp phân tử (oligomeric) như vậy, qua quá trình gọi là đa hợp phân tử hoá (oligomerization).
  • Ưu điểm khác của kiểu cấu trúc hình nhẫn này là chu kỳ NTPase (như ATP-aza) có thể làm tăng hiệu quả và thúc đẩy nó "chạy".Tuy nhiên không phải hêlicaza nào cũng phải là đa hợp phân tử (oligomers) hình nhẫn. Nhiều enzym khác đã được chứng minh là hoạt động như là đơn phân tử (monomer) hoặc nhị hợp phân tử (dimers), chẳng hạn như RecBCD. Ngoài ra, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hêlicaza có thể hoạt động thụ động hoặc chủ động tuỳ thuộc cấu hình của nó, cơ chất và môi trường.

Xem mô hình 3D của một loại hêlicaza ở đây:https://proteopedia.org/wiki/images/b/b6/1pjr.gif

Cơ chế[sửa | sửa mã nguồn]

  • Hầu hết các hêlicaza cần một vùng axit nuclêic đơn để liên kết và bắt đầu hành động tách sợi. Theo cách diễn đạt nôm na, thì đó là một "đầu mẩu" của mạch đơn ADN hoặc ARN thò ra ngoài phân tử. Sau khi đã "bám" vào "đầu mẩu" này, nó dịch chuyển dọc sợi theo chiều 5′ –3 ′ hoặc 3′ –5′ (tuỳ loại hêlicaza). Như RecBCD chứa 2 tiểu đơn vị hêlicaza gần đối diện nhau nên có thể bắt đầu cả hai chiều. Tuy nhiên, hêlicaza hình nhẫn lại yêu cầu cấu trúc ADN hình chữ Y (ở chạc nhân đôi) với một sợi cơ chất và một sợi không bổ sung có độ dài tối ưu để bắt đầu dãn xoắn và cắt liên kết hyđrô.
  • Còn có loại hêlicaza tương tác cùng lúc với cả hai sợi và di chuyển theo một chiều, hoặc cả hai chiều.[9]
  • Trong hoạt động, hêlicaza là một động cơ phân tử lấy năng lượng hóa học từ phân giải NTP để thủy phân tách các chuỗi bổ sung của các mạch kép, đồng thời cũng loại bỏ các prôtêin "bám" lên cơ chất, tạo điều kiên cho tự sao mã, phiên mã hoặc xúc tác tái tổ hợp tương đồng giữa các ADN.
  • Hoạt động enzym của hêlicaza làm dãn xoắn axit nuclêic được thực hiện thông qua việc hạ thấp hàng rào kích hoạt B của mỗi hành động cụ thể. Hàng rào này là kết quả của nhiều yếu tố khác nhau và có thể được xác định bằng cách sử dụng phương trình sau, trong đó:

= số cặp bazơ cần dãn xoắn (bp),

= năng lượng cần để tạo cặp bazơ,

= mức giảm năng lượng tự do nhờ hêlicaza,

= mức giảm năng lượng tự do nhờ tháo xoắn.

Các yếu tố góp phần vào chiều cao của rào cản kích hoạt bao gồm: trình tự axit nuclêic cụ thể của phân tử liên quan, số lượng cặp base liên quan, sức căng hiện diện trên nhánh nhân bản và lực bất ổn.

  • Kích thước của rào cản kích hoạt để khắc phục bởi hêlicaza góp phần vào việc phân loại nó là hêlicaza chủ động hoặc thụ động. Trong nhóm hêlicaza thụ động, một rào cản kích hoạt đáng kể tồn tại (được định nghĩa là B>kBT; trong đó kBhằng số Boltzmann và T là nhiệt độ của hệ thống). Bởi vì rào cản kích hoạt này là đáng kể, nên tiến triển tác động của nó bị ảnh hưởng chủ yếu bởi chuỗi axit nuclêic trong phân tử đích cần giải phóng (cần cắt), và sự có mặt của các yếu tố khác lên chạc nhân đôi (chạc chữ Y[4]). Một số loại bazơ ở axit nuclêic có thể làm giảm tốc độ dãn xoắn và tách mạch, như G (guanin) và X (cytosine) do có số liên kết hyđrô nhiều hơn A với T, ngược lại một số yếu tố khác lại có thể tăng tốc độ này. Trong nhóm hêlicaza, thì tốc độ dãn xoắn và tách mạch Vun nhỏ hơn tỷ lệ chuyển dịch Vtrans trên sợi đơn.[10]
  • Trong nhóm hêlicaza chủ động, thì B<kBT, do rào cản ít đáng kể, vì hêlicaza có thể làm mất ổn định axit nuclêic,tăng tốc độ dãn xoắn và tách mạch, bất kể chuỗi axit nuclêic nào. Ở nhóm này, Vun = Vtrans. Nhóm này còn có khả năng trực tiếp gây mất ổn định chạc nhân đôi để thúc đẩy dãn xoắn và tách mạch.[10]

Phân loại[sửa | sửa mã nguồn]

Các siêu lớp[sửa | sửa mã nguồn]

  • Hêlicaza được phân chia thành 6 nhóm lớn gọi là siêu lớp (superfamilies, viết tắt là SF). Sự phân loại theo nguyên tắc chính giới thiệu sơ lược như sau:
    • Cấu trúc động học là hình nhẫn (vòng) hay không. SF1 và SF2 không có cấu trúc nhẫn, còn lại là có.
    • Tác động với một mạch đơn ADN hay cùng lúc với cả hai mạch trong chuỗi xoắn kép. Helicaza α chỉ hoạt động với sợi đơn, còn hêlicaza β tác động vào sợi kép.
    • Hướng "chạy" trên chuỗi phân tử mục tiêu. Nếu nó "chạy" (chuyển vị) theo hướng 3'-5' thì gọi là dạng A; nếu chuyển vị xảy ra theo hướng 5'-3 ’thì đó là dạng B.
  • Các siêu lớp gồm:
  1. Superfamily 1 (SF1): Siêu họ hêlicaza này có thể được chia nhỏ thành SF1A và SF1B. Trong đó các hêlicaza có thể có chuyển vị hướng 3'-5’ (họ SF1A) hoặc 5'-3’ (SF1B). Các hêlicaza SF1A được biết đến nhiều nhất là Rep và UvrD ở vi khuẩn Gram âm và hêlicaza PcrA từ vi khuẩn gram dương. Hêlicaza được biết nhiều nhất trong nhóm SF1B là hêlicaza RecD (xem Rec BCD) và Dda.
  2. Superfamily 2 (SF2): Đây là nhóm hêlicaza lớn nhất tham gia vào quá trình chuyên hoá và phân hoá tế bào. Nhóm này chủ yếu bao gồm hêlicaza ARAD-box RNA. Một số hêlicaza khác bao gồm trong SF2 là họ RecQ giống như các enzyme kiểu Snf2. Hầu hết các hêlicaza SF2 là dạng A (3'-5') với một số ngoại lệ như họ XPD.
  3. Superfamily 3 (SF3): Nhóm này gồm các hêlicaza được mã hóa chủ yếu bởi ADN của virut. Tất cả chúng đều là hêlicaza dạng A (3'-5'). Hêlicaza SF3 được biết đến nhiều nhất là hêlicaza của virut papilloma E1.
  4. Superfamily 4 (SF4): Tất cả hêlicaza SF4 thuộc dạng B (5'-3 ’). Trong SF4, được nghiên cứu nhiều nhất là gp4 từ T7.
  5. Superfamily 5 (SF5): Rho prôtêin phù hợp với nhóm SF5.
  6. Superfamily 6 (SF6): Chúng chứa lõi AAA+ không có ở SF3. Thường gặp trong nhóm SF6 này là: MCM, RuvB, RuvA và RuvC.[11]

Hêlicaza ARN[sửa | sửa mã nguồn]

  • Không phải chỉ riêng ADN mới có liên kết hyđrô giữa hai mạch đơn, mà nhiều ARN cũng có tuy chỉ ở những phân đoạn nhất định (như tARN và rARN). Các hêlicaza tác động tới ARN (RNA hêlicaza) được xếp vào lớp (family) riêng, nhưng chung siêu lớp (superfamily) với hêlicaza ADN, thường thuộc nhóm SF1 và SF2.
  • Các hêlicaza ARN rất cần thiết cho hầu hết các quá trình trao đổi chất liên quan tới ARN như:
    • Tổng hợp và phân giải ribôxôm (ribosome).
    • Cắt và nối mARN sau phiên mã và trước bắt đầu dịch mã nhân thực.
    • Tổng hợp và phân giải tARN trong tế bào sống.
  • Hộp DEAD (hình 4).[12]
    • Khi giải trình tự axit amin của hêlicaza ARN, các nhà nghiên cứu thường phát hiện một đoạn peptit gọi là hộp DEAD (protein DEAD-box). "Hộp" này có mặt khắp nơi trong các quá trình và chức năng qua ARN làm trung gian nhờ chu trình liên kết của liên kết ATP khi thủy phân với những thay đổi về ái lực đối với mạch đơn ARN. Nhiều DEAD được sử dụng làm cơ sở cho một phiên bản của hoạt động hêlicaza ARN, phân tách hiệu quả các chuỗi ARN kép ngắn trong một quá trình liên quan đến ít hoặc không có chuyển vị. Hoạt động này, cùng với các cơ chế để hướng các prôtêin DEAD khác nhau đến các cơ chất của chúng, cho phép đẩy nhanh quá trình tu sửa các phức hợp ARN-prôtêin.
    • Ở hình 4 giới thiệu các chuỗi khởi động (promoter) khác nhau và vùng phụ trợ dãn xoắn, tách mạch ở ARN. Trong hình 4 này: vùng màu đỏ là các miền liên kết ATP, vùng màu vàng là các miền tương tác ARN. Chuỗi đặc biệt được gọi là hộp prôtêin DEAD giúp phản ứng xúc tác mà ATP không cần phải được thủy phân trực tiếp, miễn là nó liên kết với trên sợi cơ chất.[13] Hình 6 mô tả cấu trúc 3D của một enzym loại này ở người mang hộp DEAD.

Vai trò và bệnh tật[sửa | sửa mã nguồn]

Vai trò của enzym[sửa | sửa mã nguồn]

Hêlicaza gồm nhiều loại enzym khác nhau nhưng cùng có khả năng xúc tác sự phân tách axit nuclêic kép thành các sợi đơn bằng phản ứng phụ thuộc ATP và chức năng trong quá trình xử lý biến đổi ADN gồm: nhân đôi ADN, sửa chữa ADN, tái tổ hợp, phiên mã, dịch mã và nhiều quá trình khác liên quan đến axit nuclêic (Jankowsky & Fairman, 2007).[14] Do đó, hêlicaza đóng vai trò rất quan trọng trong mọi hoạt động sống của sinh vật:

  • Góp phần khởi tạo nhân đôi ADN tại điểm Ori, nhờ đó mã di truyền mới được nhân bản để chuyển giao cho thế hệ sau.
  • Hêlicaza còn tham gia vào hầu hết các quá trình chuyển hóa sống còn của axit nuclêic trong tế bào sống như: phá vỡ tương tác prôtêin-ADN, sửa chữa ADN, tái tổ hợp gen, tạo ribôxôm, phiên mã, dịch mã và phân huỷ khi axit hết "tuổi thọ".
  • Ở tế bào nhân thực, nó đóng vai trò chỉnh sửa ARN ngay sau phiên mã, tạo ra bản phiên ngắn gọn để dịch mã nhanh.
  • Ngoài ra, hêlicaza còn "biết" cách điều chỉnh tốc độ dãn xoắn và tách mạch kết hợp với che chắn cơ chất khỏi tác động phân giải của "đối thủ" của nó là nuclêaza (nuclease) cũng có cơ chất y hệt như nó.[15]

Do chức năng thiết yếu của chúng, hêlicaza luôn được bảo tồn trong quá trình tiến hóa. Khoảng 1% của số gen tế bào nhân thực (eukaryote) mã hoá hêlicaza.[2], [1]

Bệnh do rối loạn enzym[sửa | sửa mã nguồn]

Trong Di truyền y học và nghiên cứu về ung thư thường gặp nhiều bệnh hoặc rối loạn di truyền do hêlicaza bị biến đổi.

  • Gen ATRX mã hóa hêlicaza phụ thuộc ATP, ATRX (còn gọi là XH2 và XNP) của họ nhóm SNF2, được cho là chịu trách nhiệm cho các chức năng như hình thành sắc tố, điều chỉnh gen và mêtyl hóa ADN. Các chức năng này hỗ trợ phòng ngừa tế bào chết rụng (apoptosis), dẫn đến rối loạn quy định kích thước vỏ não, cũng như đóng góp vào vùng đồi thị, ảnh hưởng mạnh mẽ đến trí nhớ và học tập. Hêlicaza này nằm trên nhiễm sắc thể X (Xq13.1-q21.1), trong vùng dị nhiễm sắc heterochromatin pericentromeric và liên kết với prôtêin dị nhiễm sắc 1 (heterochromatin 1). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ATRX đóng một vai trò trong quá trình mêtyl hóa ADN rất cần cho sự phát triển của thai. Các đột biến đã được tìm thấy trong ATRX, có thể dẫn đến chậm phát triển chứng tâm thần-alpha-thalassemia (hội chứng ATR-X).[8]
  • Nhiều loại đột biến tìm thấy trong ATRX còn có thể bao gồm các đột biến đơn lẻ, đột biến vô nghĩa, đột biến khung đọc và đột biến mất. Những đột biến nhỏ này gồm: bất thường xương và mặt, chậm phát triển trí tuệ, bất thường sinh dục, co giật, khả năng sử dụng ngôn ngữ hạn chế. Kiểu hình được thấy trong ATR-X cho thấy đột biến gen ATRX làm giảm sự biểu hiện gen, như gen alpha-glôbin. [36] Vẫn chưa rõ nguyên nhân gây ra sự biểu hiện của các đặc điểm khác nhau của ATR-X ở những bệnh nhân khác nhau.[16]
  • XPD (Xeroderma Pigmentosum factor D, còn được gọi là prôtêin ERCC2) là một hêlicaza phụ thuộc 5'-3 ', Superfamily II, ATP phụ thuộc vào các ion lưu huỳnh sắt. Đột biến trong hêlicaza XPD đã được chứng minh là có liên quan đến rối loạn lão hóa gia tăng như hội chứng Cockayne (CS) và trichothiodystrophy (TTD). Hội chứng Cockayne liên quan đến độ nhạy cảm với tia cực tím và lão hóa sớm, thể hiện chậm phát triển trí tuệ ngay từ khi sinh. Đột biến hêlicaza XPD cũng liên quan đến xeroderma pigmentosa (XP) còn dẫn đến tăng gấp 1000 lần tần số mắc ung thư da.
  • Recic helicases (3'-5 ') thuộc nhóm Superfamily II helicases, giúp duy trì sự ổn định của bộ gen và ngăn chặn sự tái tổ hợp không phù hợp. Sự thiếu hụt hoặc đột biến trong hêlicaza thuộc họ RecQ dẫn đến sự mất ổn định nhiễm sắc thể và khả năng giảm nhân đôi. Đột biến trong họ RecQ BLM, RECQL4 và WRN (đóng vai trò điều hòa tái tổ hợp tương đồng) lần lượt dẫn đến các bệnh đột biến lặn tự phát ở Hội chứng Bloom (BS), hội chứng Rothmund-Thomson (RTS) và hội chứng Werner (WS)). Hội chứng Bloom được đặc trưng bởi một khuynh hướng gây ung thư với khởi phát sớm, với tuổi khởi phát trung bình là 24 năm. Các tế bào của bệnh nhân hội chứng Bloom cho thấy một tần số cao trao đổi đối ứng giữa các nhiễm sắc thể chị em.
  • Ngoài các đột biến tự phát, hoạt động của bộ gen virut khi đã nhiễm vào vật chủ được xem như là "gián điệp" gây bệnh, đồng thời nghiên cứu chúng nói chung, cũng như nghiên cứu hêlicaza do chúng gây biến đổi nói riêng là một chiến lược khả thi cho điều trị phòng chống virut.

Nguồn trích dẫn[sửa | sửa mã nguồn]