Tiếp theo Phần 1

Thể tư dưỡng hoạt động dưới hình dạng tế bào sinh dưỡng của Entamoeba histolytica

         Thể tư dưỡng hoạt động E. histolytica (kích thước 20 đến 40 μm) cư trú trong lòng ruột, ăn vi khuẩn và phân chia bằng cách trực phân (binary fusion). Bộ gen của E. histolytica có phôi lệch bội (aneuploid); đôi khi lớn hơn dạng tứ bội thể (tetraploid) và chứa một hoặc nhiều bản sao thừa của nhiễm sắc thể bị cắt ngắn. Sự phân bào trong E. histolytica không đi kèm với phân chia nhân, do đó, phân chia tế bào có thể không đối xứng, tách biệt khỏi pha S và quá trình nguyên phân, dẫn đến các tế bào con không có nhân, một hoặc nhiều nhân. Tuy nhiên, phân tích bộ gen xác định E. histolytica có các gen tương đồng (orthologues) của tất cả protein liên quan đến phân bào, so với nấm men, nhưng thực tế là amíp có thể tích lũy các tế bào đa bội cho thấy các điểm kiểm soát giúp điều hòa sự đồng bộ giữa sao chép bộ gen và phân chia tế bào bị thiếu.

Tập hợp bộ gen giàu AT hiện tại của E. histolytica có kích thước 20 Mbp với 8.201 gen được dự đoán, trong đó phần lớn (~76%) không chứa các vùng nội gen (intron) và mã hóa các khung đọc mở ngắn (trung bình ~389 axit amin), so với các sinh vật nhân đơn khác. Có những đặc điểm bộ gen riêng biệt trong quá trình tiến hóa của loài Entamoebaspp. chẳng hạn như mất đáng kể các gen liên quan đến thích nghi với các khoang ít oxy (ví dụ: các gen liên quan đến chu trình axit tricarboxylic và phosphoryl hóa oxy hóa), một thực tế tương quan với việc thiếu ty thể cổ điển và do đó, đường phân là nguồn năng lượng chính cho các chức năng của tế bào và ethanol là sản phẩm cuối cùng chính của quá trình dị hoá glucose.

Hình 5. Chu kỳ sinh học và con đường lây nhiễm của đơn bào amip E. histolytica

Loài Entamoeba spp. duy trì một bào quan có nguồn gốc từ ty thể gọi là mitosome thiếubộ gen bào quan, đây là nơi tổng hợp sulfolipid. Hệ thống lắp ráp sắt - lưu huỳnh ty thể của eukaryote được thay thế trong E. histolytica bằng một hệ thống cố định nitơ không liên quan có gen mã hóa có được bằng sự chuyển đổi gen theo chiều ngang (lateral gene transfer-LGT) từ ε-proteobacteria. Gần đây, một bào quan khác là peroxisome đã được xác định trong E. histolytica và chính phát hiện này phá vỡ quan niệm từ lâu cho rằng không có peroxisome ở ký sinh trùng kỵ khí. Peroxisome của amíp chứa myo-IDH, một enzyme xúc tác cho quá trình chuyển đổi myoinositol,chất nền cho việc tổng hợp phosphatidylinositol và dẫn xuất phosphoinositide. Có vẻ như mitosome và peroxisome tham gia vào cơ chế tổng hợp và vận chuyển lipid, nhưng sự tương tác giữa các thành phần của mitosome, peroxisome và hệ thống màng tế bào chất vẫn đang được nghiên cứu. Ngoài mất gen, bộ gen Entamoebaspp. còn cho thấy sự mở rộng ở một số họ gen như các gen mã hóa protein chứa các đoạn lặp lại giàu leucine (LRR) tương đồng với các protein adhesin của vi khuẩn (BspA từ Bacteroides forsythus), kháng nguyên bề mặt Ariel1 và các GTPase giống AIG1.

Hình 6. Amip E. histolyticacó thể gây tổn thương ở nhiều mô và cơ quan khác nhau trên cơ thể

Một khía cạnh sinh học thú vị của loài E. histolytica là sự thiếu đi các cấu trúc hình thái được xác định rõ ràng tương ứng với lưới nội chất thô (rough Endoplasmic Reticulum-rER), các thể golgi hoặc thể thoi vi ống (microtubular spindle). Tuy nhiên, các gen protein tương đồng (protein orthologs) của các hệ thống nội màng trong nhân thực (eukaryotic endomembrane systems ) đã được thiết lập sẵn và có thể dự đoán được ER và golgi chức năng. Ngoài ra, α, β và γ tubulin đã được xác định nhưng chúng khác biệt đáng kể so với các tubulin nhân thực khác, chỉ có lần lượt 50%, 58% và 46% giống nhau. Khung tế bào (cytoskeleton) giàu actin đóng vai trò quan trọng trong tất cả giai đoạn sự sống của E. histolytica: phân chia, tạo nang, di động, nhập bào (endocytosis) và các quá trình khác hỗ trợ sự phát sinh bệnh, chẳng hạn như thực bào của các tế bào của người và sức đề kháng của ký sinh trùng với đáp ứng miễn dịch của vật chủ.

Hình 7. Bệnh do amip E. histolytica đường ruột và bệnh amip E. histolytica ngoài ruột

Tuy nhiên, E. histolytica chỉ có một protein actin, khác biệt đáng kể về cấu trúc so với các protein actin của người, nhưng actin thực hiện tất cả các chức năng khác nhau của khung tế bào giàu actin thông qua nhiều protein liên kết actin, 390 protein này đã được xác định bằng phương pháp tin sinh học, nhưng các chức năng cụ thể của chúng mới chỉ được xác định một phần.

Sự tạo nang của thể tư dưỡng hoạt động trong sự hiện diện của hệ vi sinh vật

Bốn dấu hiệu chính của quá trình tạo nang ở E. histolytica (ví dụ: đạt được hình dạng hình cầu, đề kháng chất tẩy rửa, tích tụ chitin ở thành tế bào và hình thành bốn nhân); các bước này diễn ra trong môi trường phức tạp của ruột già người, nơi sinh sôi nảy nở của thể hoạt động cũng xảy ra đồng thời. Nghiên cứu sâu trong điều kiện phòng thí nghiệm, sử dụng loài E. invadens làm mô hình tạo nang amíp, đã cung cấp nhiều thông tin về các con đường tạo nang. Tuy nhiên, kết quả thu được có thể không hoàn toàn phản ánh thực tế của hiện tượng này ở E. histolytica do sự khác biệt về di truyền giữa hai loài và nhu cầu về vật chủ riêng biệt để sinh sôi. Hơn nữa, độ phức tạp của môi trường ruột khác với môi trường nuôi cấy do thực tế lòng ruột người chứa hệ vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng nội môi bao gồm bảo vệ chống lại mầm bệnh, duy trì sự toàn vẹn của hàng rào niêm mạc, duy trì các yếu tố dinh dưỡng của vật chủ và ảnh hưởng đến hiệu quả của phản ứng miễn dịch. Ví dụ, một số vi khuẩn từ hệ vi sinh vật có thể phân hủy các carbohydrate phức tạp không tiêu hóa được (chất xơ) để tạo ra các acid béo chuỗi ngắn (SCFAs) như axetat, butyrat và propionat, là nguồn cung cấp năng lượng cho tế bào biểu mô ruột kết và sự phát triển của ký sinh trùng và SCFAs có thể ức chế quá trình tạo nang. Nồng độ glucose trong ruột già người không phản ánh sự thiếu hụt nguồn carbon, điều quan trọng đối với quá trình tạo nang trong ống nghiệm và SCFAs cũng kích thích sản xuất mucin 2, chứa các oligosaccharide có thể được sử dụng làm nguồn carbon.

Hơn nữa, tác động tiềm ẩn của các sinh vật cộng sinh nhân thực đối với cân bằng nội môi đường ruột thường không được xem xét; ví dụ, thành phần của hệ vi sinh vật bị thay đổi do sự định cư đường ruột của Blastocystis spp, có thể liên quan đến các đơn bào khác như các loài Entamoeba không gây bệnh và những thay đổi này có liên quan đến bệnh lỵamíp. Tương tự, hơn 140 loài nấm đã được phát hiện là hệ sinh vật thường trú hoặc tạm thời trong đường ruột, nhiều loài có lợi hoặc hội sinh (ví dụ: Saccharomyces) cũng như virus và thực khuẩn.

Nhìn chung, các vi sinh vật đa dạng này và sản phẩm chuyển hóa do chúng tạo ra, cho thấy vai trò đặc trưngtiềm năng của chúng trong việc kiểm soát cân bằng nội môi đường ruột và do đó là trong quá trình tạo nang amíp. Do đó, câu hỏi chính đặt ra là E. histolytica duy trì sự cân bằng giữa tăng trưởng sinh dưỡng và bắt đầu tạo nang như thế nào? Trả lời cho câu hỏi này phần lớn vẫn chưa được biết do lỗ hổng lớn trong việc phát triển các mô hình thí nghiệm mô phỏng ruột kết của người, đây là thứ cần thiết để nghiên cứu chu kỳ sinh họcamíp và bệnh lỵamíp. Vì mục đích đó, những nỗ lực đáng kể đã được thực hiện và cho thấy 30% cấu trúc giống bào nang đã thu được sau khi xử lý thể hoạt động bằng nước oxy già và các kim loại, nhưng những cấu trúc này không có bốn nhân và có thể phản ánh phản ứng sinh tồn tạm thời của thể hoạt động khi chịu đựng một trạng thái môi trường khắc nghiệt.

Một kết quả đáng khích lệ thu được bằng cách sử dụng môi trường được điều hòa bởi vi khuẩn Escherichia coli và Enterococcus faecalis và độ pH kiềm, các tế bào giống bào nang thu được có nhiều nhân, nhưng không thểthoát nang (excystation). Gần đây, một mô hình nghiên cứu tạo nang đầy hứa hẹn đã được thực hiện bằng cách sử dụng hai thông số chính: mật độ thể hoạt động cao và hạn chế glucose trong môi trường nuôi cấy. Bào nang có khả năng sống được và thể hiện tất cả bốn đặc điểm của kiểu hình bào nang: Hình tròn, Thành tế bào chitin, Bốn nhân và Đề kháng chất tẩy rửa. Những bào nang này có khả năng thoát nang tạo thành dạng thể hoạt động đang phát triển.

Một sự khác biệt đáng chú ý so với loài E. invadens là hình thành nang của E. histolytica được tăng cường bởi SCFA trong mô hình này với axetat có tác dụng mạnh nhất. Hơn nữa, xử lý với SCFA gây ra những thay đổi phiên mã tối thiểu ở E. histolytica, tất cả dữ liệu đều hỗ trợ giả thuyết hữu ích được đề xuất gần đây rằng các quy định biểu sinh dẫn đến sự tạo nang của E. histolytica có thể xảy ra dưới ảnh hưởng của các chất chuyển hóa của hệ vi sinh vật, chẳng hạn như SCFA và củng cố ý tưởng rằng các tín hiệu tạo nang của E. histolytica chỉ trùng lặp một phần với loài E. invadens.

Mật độ thể tư dưỡng hoạt động cao trong môi trường không chứa glucose cho phép hình thành nang ở loài E. histolytica trong mô hình được trích dẫn ở trên. Đặc điểm này vốn đã được biết đến đối với loài E. invadens, các tế bào hợp nhất tạo thành các tế bào khổng lồ đa nhân (MGC) ở nơi hình thành nang. Các phân tử tín hiệu và đường dẫn gây ra sự tập hợp thể hoạt động vẫn chưa được biết đến, nhưng việc bổ sung galactose (Gal) ức chế sự tập hợp và do đó ức chế sự tạo nang, trên thực tế cho thấy các phân tử bề mặt nhạy cảm với Gal tham gia vào các tương tác amíp cần thiết cho sự tập hợp. Các lectin bề mặt tế bào có thể ức chế Gal được đề xuất là thành phần quan trọng nhạy cảm với Gal giúp nối các thể hoạt động hoặc cho phép chúng tương tác với môi trường ngoại tế bào giàu phối thể đầu cuốiGal bao gồm mucin. Một số lectin từ E. histolytica là các ứng cử viên tiềm năng cho sự tập hợp thể hoạt động, gồm một protein nhận dạng oligosacarit được tìm thấy trong lòng trắng trứng (ovalbumin), lectin β-trefoil và lectin galactose/N-acetyl galactosamine (lectin Gal/GalNAc) nhận biết Gal và N-acetyl galactosamine.

Cơ chế phân tử và đường dẫn tín hiệu liên quan đến các lectin này trong quá trình tạo nang vẫn chưa được xác định rõ ràng; cụ thể, lectin Gal/GalNAc là thụ thể linh hoạt kích hoạt nhiều đường dẫn tín hiệu chồng chéo nhau tùy thuộc vào chức năng tế bào cần thực hiện. Tuy nhiên, các đường dẫn tín hiệu tạo nang có thể xảy ra thông qua những thay đổi trong khung tế bào giàu actin bao gồm giảm mức actin dẫn đến các tế bào tròn, ít hoạt động hoặc phá vỡ quá trình trùng hợp actin. Hơn nữa, vùng đầu carboxyl của chuỗi nặng lectin Gal/GalNAc tương tác với khung tế bào kích hoạt sự hoạt hóa của các yếu tố phiên mã được mô tả ở trên liên quan đến quá trình tạo nang. Dữ liệu cũng đã củng cố giả thuyết này vì sự tập hợp xảy ra như một bước độc lập dẫn đến sự tạo nang cuối cùng vì yếu tố phiên mã ERM-BP tham gia vào sự hình thành MGC ở E. invadens, nhưng việc bất hoạt ERM-BP không ảnh hưởng đến quá trình tập hợp, cho thấy sự tập hợp thể hoạt động tuân theo quy định phân tử riêng biệt độc lập với sự hình thành MGC. Hơn nữa, ERM-BP là một yếu tố quan trọng cho việc kích thích MGC ở E. histolytica sau các stress nhiệt dưới các điều kiện trước khi tế bào chết, những quan sát này cho thấy có sự tương quan giữa phản ứng stress và sự tạo nang.

Kiểu hình MGC phụ thuộc vào yếu tố phiên mã ERM-BP sử dụng NAD+ làm một đồng yếu tố, mức NAD+ tăng trong cả hai hiện tượng và các gen liên quan đến quá trình hình thành thành nang (ví dụ như chitinase và Jacob) được điều hoà tăng cường (upregulated) trong cả hai điều kiện. Những quan sát này được củng cố bởi một cái nhìn chi tiết về hệ phiên mã (transcriptome) của E. histolytica, xác nhận gen mã hóa glycoprotein đặc hiệu thành nang Jacob 1 (EHI_028930) được điều hoà tăng cường trong quá trình stress oxy hóa (OS) và HS; gen mã hóa chitinase 1 được điều hoà tăng cường trong HS, và ERM-BP được điều hoà tăng cường trong HS (8 lần) nhưng điều hoà giảm xuống (downregulated) trong OS. Tuy nhiên, các gen tương đồng gồm cả glycoprotein đặc hiệu thành nang Jacob 2, chitinase Jessie 1-2, -3 và -4 không bị thay đổi đáng kể trong HS, cho thấy sự tồn tại của quá trình điều hoà có chọn lọc đối với các gen liên quan đến tạo nang.

Thể tư dưỡng hoạt động, stress oxy hóa và hệ vi sinh vật đường ruột

Lớp biểu mô tạo ra một ranh giới vật lý giữa các tế bào miễn dịch và hệ vi sinh vật đường ruột có trong lòng ruột và lớp nhầy trơn. Trong quá trình duy trì cân bằng nội mô, các tế bào biểu mô tham gia vào quá trình phòng vệ miễn dịch bằng cách tiết chất nhầy và giải phóng các gốc có oxy có hoạt tính (reactive oxygen species-ROS), peptide kháng khuẩn, chemokine và cytokine. ROS được tạo ra từ quá trình khử oxy để hình thành: (i) Siêu oxit (O_2-), một phản ứng liên quan đến NADPH oxidase và dual oxidase; (ii) Hydro peroxit (H₂O₂) được tạo ra bởi sự phân hủy hai phân tử O₂- bởi enzyme superoxide dismutase (SOD), (iii) Gốc hydroxyl (HO) được tạo ra do quá trình oxy hóa nước hoặc các ion hydroxide. Catalase hoặc glutathione (GSH) phân hủy H₂O₂. Một số vi khuẩn từ hệ vi sinh đường ruột góp phần vào mức ROS trong lòng ruột, vi khuẩn cũng như vi sinh vật đường ruột khác thích nghi để sống với mức ROS liên quan đến cân bằng nội môi. Trong quá trình khởi phát và phát triển các bệnh đường ruột, mức ROS có thể tăng lên gây ra stress oxy hóa (OS), làm tổn thương lipid, protein và DNA và dẫn đến chết tế bào.

E. histolyticalà một vi sinh vật đơn bào ưa vi khí (microaerophilic) sống trong môi trường có áp lực oxy thấp, ký sinh trùng đơn bào này phải đối mặt với ROS trong quá trình phát triển và trải qua OS khi tiếp xúc với vi khuẩn và khi kích hoạt phản ứng miễn dịch vật chủ. E. histolytica thiếu các thành phần quan trọng đã biết của cơ chế phòng vệ chống oxy hóa (ví dụ: catalase, peroxidase, glutathione và enzyme tái chế glutathione như glutathione peroxidase và glutathione reductase) và dùng L-cysteine thay vì glutathione làm thiol chính. Tuy nhiên, ký sinh trùng này có một số enzyme chống oxy hóa, gồm peroxiredoxin, SOD, dismutase, flavoprotein A, ferredoxin, thioredoxin và thioredoxin reductase. Ngoài ra, các protein quét dọn (scavenging) khác đã được xác định, chẳng hạn như rubrerythrin và protein hybrid-cluster. ROS gây ra quá trình oxy hóa protein a-míp và kích hoạt các phản ứng OS, bao gồm thay đổi phiên mã cho các gen có sản phẩm protein tham gia vào dịch mRNA, các chuỗi điều hòa tín hiệu, quá trình sửa chữa DNA, chuyển hóa năng lượng, phản ứng stress và vận chuyển chất tan. Một yếu tố phiên mã nhạy stress (HRM-BP) ở E. histolytica đã được xác định.

Họ vi khuẩn đường ruột gây bệnh hoặc hội sinh và các sản phẩm chuyển hóa của chúng (oxaloacetate, queuine) có khả năng bảo vệ thể hoạt động chống lại stress oxy hóa. Cơ chế phân tử của quá trình bảo vệ này đang được nghiên cứu và người ta đã xác định được: (i) Enterobacteriaceae làm thay đổi quá trình phiên mã của nhiều gen amíp (khoảng 31% chuỗi trình tự mã hóa), bao gồm các gen liên quan đến tổng hợp protein và duy trì cân bằng nội môi (protein ribosome và các yếu tố liên quan đến dịch mã), dinh dưỡng (enzyme thủy phân, peptidase và vận chuyển), sự sống sót của tế bào, yếu tố tạo nang, cũng như các gen cho một số loại enzyme chống oxy hóa (ví dụ như peroxidase và thioredoxin); (ii) oxaloacetate, với vai trò là chất khử H₂O₂ chống oxy hóa không enzym, giúp giảm lượng protein bị oxy hóa và (iii) queuine, một nucleobase siêu biến đổi, dẫn đến sự tăng methyl hóa của một số tRNA ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp protein và thông qua một cơ chế chưa rõ kích hoạt sự điều hòa tăng cường của các gen mã hóa protein chống stress, bao gồm protein sốc nhiệt 70, enzyme chống oxy hóa và enzyme liên quan đến sửa chữa DNA. Tác dụng bảo vệ của Enterobacteriaceae đối với E. histolytica không phải là phổ biến vì quá trình sản xuất H₂O₂ bởi Lactobacillus acidophilus (lợi khuẩn) làm thay đổi hệ phiên mã amíp khác với các Enterobacteriaceae khác. L. acidophilus gây ra quá trình oxy hóa các protein quan trọng của E. histolytica (chuỗi nặng lectin Gal/GalNAc, thioredoxin, cysteine protease A5, oxidoreductase và các phân tử tín hiệu), nên gây ra cái chết chođơn bào.

Nói tóm lại, thành công của lối sống ký sinh nhờ vào sự cân bằng của hai dạng tế bào của Entamoeba spp. (thể hoạt động và thể bào nang), chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hệ vi sinh vật, mặt khác, cung cấp vi khuẩn và các chất dinh dưỡng có nguồn gốc từ chính hệ vi sinh vật này thúc đẩy sự phát triển của thể hoạt động và mặt khác, hoạt động như một động cơ cho sự tồn tại của ký sinh trùng trong các tình trạng căng thẳng. Do đó, hệ vi sinh vật xuất hiện như “nhiên liệu” tự nhiên và đã được cải tiếngiúp tăng mật độ quần thể của thể hoạt động. Sự tương tác của chúng với môi trường ngoại tế bào và số lượng của chúng cho phép tập hợp thể hoạt động; sau đó bắt đầu quá trình tạo nang sau khi tài nguyên bị hạn chế. Bào nang lây lan trong tự nhiên cùng với phân của người, lây nhiễm cho vật chủ mới và duy trì sự tồn tại loài ký sinh trùng này. Trong một số điều kiện đường ruột, chu kỳ sinh học của E. histolytica có thể bị phá vỡ chuyển từ thể hoạt động sang kiểu hình gây hại.

Các nội dung khác »

---

• Phân tích nguyên nhân tử vong do sốt rét tại các vùng trọng điểm và giải pháp khắc phục ở tỉnh Đắc Lắc (05/07/2005)