Quá trình trưởng thành nhân noãn là một quá trình hết sức phức tạp, thông qua nhiều con đường truyền tín hiệu khác nhau, qua nhiều phân tử trung gian khác nhau. Nhưng nhìn chung, các con đường truyền tín hiệu này hoạt động chủ yếu dựa vào sự phosphoryl hóa những protein tham gia. Sự phosphoryl hóa này là một quá trình thuận nghịch dựa vào hoạt tính của các protein kinase (gắn gốc phosphate) và các protein phosphatase (gỡ bỏ gốc phosphate). Trong tế bào chất của noãn có nhiều protein kinase và phosphatase, trong bài này, chúng ta chỉ bàn về một số protein được nhiều nghiên cứu chứng minh là có liên quan đến quá trình phát triển của noãn.

1. cAMP (cyclic adenosine 5’-monophosphate)/PKA (protein kinase A)

cAMP là một dạng phân tử cung cấp năng lượng cho các hoạt động của tế bào, ở noãn, cAMP được noãn tự tổng hợp đồng thời với việc hấp thụ cAMP từ các tế bào cumulus xung quanh. Sự giảm cAMP nội bào khởi phát đường truyền tín hiệu cho phép noãn tiếp tục giảm phân. Tín hiệu giảm cAMP tác động đến đường truyền tín hiệu này thông qua PKA. PKA là một phức hợp protein gồm 2 tiểu phần mang hoạt tính điều hòa và 2 tiểu phần mang hoạt tính xúc tác. Khi gắn với cAMP, cAMP giúp phóng thích 2 tiểu phần xúc tác khỏi 2 tiểu phần điều hòa và hoạt hóa chúng; lúc này PKA phosphoryl hóa, kích hoạt các yếu tố ức chế phiên mã ngăn chặn noãn tổng hợp các protein cho quá trình giảm phân.
Khi cAMP giảm, các tiểu phần xúc tác không thể tách khỏi các tiểu phần điều hòa, hoạt tính enzyme kinase của PKA bị ức chế. Chính vì thế, các yếu tố ức chế phiên mã không thể được kích hoạt, noãn thực hiện các hoạt động sinh tổng hợp các protein cần thiết cho quá trình giảm phân, bắt đầu quá trình trưởng thành nhân noãn ^[7].

2. PKC (Protein kinase C)

PKC là một protein nội sinh, nằm trong tế bào chất của noãn. Vai trò của protein này vẫn còn đang được nghiên cứu nhưng những nghiên cứu gần đây trên noãn chuột cho thấy khi kích thích sự biểu hiện của PKC ở các tế bào cumulus sẽ thúc đẩy noãn bước vào quá trình GVBD ^[7].

3. MPF (maturation promoting factor)

MPF là họ protein gồm các protein nội sinh liên quan đến kiểm soát các giai đoạn trong quá trình phân bào, hoạt động như các chốt kiểm soát, cho phép tế bào đi qua prophase/ metaphase/ anaphase/ telophase. Đây là protein được xem như đóng vai trò chi phối trong quá trình trưởng thành nhân do nó ảnh hưởng đến hầu hết quá trình trưởng thành, trừ vai trò tham gia hình thành spindle và phóng thích thể cực.

MPF thực chất là một heterodimer gồm p34^cdc2 kinase (CDK1) và cyclinB, hoạt động của protein này cần có sự dephosphoryl hóa thành phần kinase trong phức hợp tại tyrosine 15 và threonine 14 cũng như sự phosphoryl hóa cyclinB. MPF được cho là di chuyển vào vùng nhân noãn và điều hòa sự phosphoryl hóa các protein lamin làm tan màng nhân ở giai đoạn GVBD. Ngoài ra, MPF còn được chứng minh có liên quan đến sự điều hòa phosphoryl hóa histone H1, dẫn đến kiểm soát sự đóng xoắn của các NST.
Một nghiên cứu trên noãn chuột cho thấy khi cyclinB bị thủy phân, các NST tương đồng mới có khả năng phân ly. CyclinB lại là một tiểu phần trong MPF, chính vì thế, các nhóm nghiên cứu đã đặt ra giả thuyết rằng chính MPF đã tham gia điều hòa sự phosphoryl hóa các protein liên quan đến sự thủy phân cyclinB, cho phép các NST phân ly ở metaphase.

Nồng độ MPF nội bào cũng trở thành yếu tố điều hòa trong quá trình trưởng thành nhân noãn. Dẫn liệu nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ MPF đạt đỉnh cao nhất khi chu trình tế bào của noãn bị bắt giữ ở MII và sự giảm nồng độ MPF sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho noãn thoát khỏi sự bắt giữ này^[7].

4. Aurora kinase A

Aurora kinase A được cho là protein kinase nội sinh liên quan trong sự phosphoryl hóa màng nhân noãn, gây ra hiện tượng GVBD. Các thí nghiệm thực hiện trên noãn động vật hữu nhũ cho thấy nếu tiêm các kháng thể kháng Aurora kinase A vào noãn, GVBD sẽ bị ức chế hoàn toàn. Ngoài ra, Aurora kinase A còn liên quan đến quá trình hình thành spindle khi người ta tìm thấy protein này ở cực của spindle. Nếu tiêm vào noãn các chất trung hòa hoạt tính kinase của nó, spindle không thể hình thành được, tuy nhiên, cơ chế điều hòa của Aurora kinase trong sự hình thành spindle chưa được hiểu rõ ^[7].

5. PP-1 (protein phosphatase 1)

Trong khi các protein kinase khởi phát các hoạt động của sự trưởng thành noãn, các phosphatase như PP-1 là một trong những yếu tố ức chế các hoạt động này do gỡ bỏ gốc phosphate của các protein tham gia trong các con đường truyền tín hiệu. Chính vì thế, khi nói về các yếu tố điều hòa trưởng thành nhân noãn, không thể không nhắc đến PP-1. Các nghiên cứu cho thấy protein này sẽ được điều hòa bởi MPF, phosphoryl hóa tại amino acid threonine 320, chính sự phosphoryl hóa này chuyển PP-1 từ dạng hoạt động thành dạng bất hoạt ^[7].

Không chỉ liên quan đến GVBD hay quá trình khởi phát giảm phân, PP-1 còn tham gia điều hòa quá trình đóng xoắn NST. Một nghiên cứu sử dụng các chất ức chế PP-1 tiêm vào noãn sao biển cho thấy các NST đóng xoắn nhanh hơn ^[6]. Để giải thích cho hiện tượng này, nhóm nghiên cứu cho rằng khi tiêm chất ức chế PP-1 vào noãn khiến cho PP-1 không thể thực hiện hoạt tính dephosphoryl hóa của mình, dẫn đến histone H3 bị phosphoryl hóa nhanh hơn bình thường.

Ngoài ra, PP-1 còn điều hòa sự phosphoryl hóa của protein cohesin trên NST, đây là các protein đóng vai trò trong việc gắn kết hai chromatid chị em trong cặp NST tương đồng. Sự phosphoryl hóa có kiểm soát sẽ giúp cho sự liên kết cũng như phân ly của các chromatid xảy ra đúng thời điểm của quá trình giảm phân. Nghiên cứu trên mô hình cho thấy nếu tiêm chất ức chế PP-1 vào noãn trong suốt quá trình giảm phân I sẽ khiến cho các noãn MI bất thường số lượng NST; còn các noãn phát triển được đến giai đoạn MII thì các chromatid chị em sẽ phân ly sớm trước khi noãn trưởng thành, hoặc xuất hiện các bất thường về lệch bội hoặc đa bội NST ^[5].

6. cdc25 phosphatase

Một protein phosphatase khác cũng tham gia điều hòa sự trưởng thành noãn là cdc25 phosphatase. Cdc25 phosphatase có 3 đồng phân là cdc25a, cdc25b và cdc25c ^{[10], [9]}, được kích hoạt khi ở trạng thái phosphoryl hóa; nhiều nghiên cứu trên noãn chuột cho thấy các cdc25 phosphatase này cho phép noãn tiếp tục bước vào giảm phân. Hoạt động của các protein này được điều hòa bởi trạng thái phosphoryl hóa của nó, bắt đầu từ giai đoạn GVBD và sự phosphoryl hóa này tăng dần cho đến khi noãn đạt trạng thái MII ^{[2], [3]}.

7. PP2A (protein phosphatase 2A)

PP2A được chứng minh là có liên quan mật thiết đến sự hình thành spindle. Một thí nghiệm thực hiện ức chế protein này trong noãn chuột cho thấy khi PP2A không hoạt động sẽ gây bất thường trong sự hình thành spindle, làm phân tán các NST và làm tan rã hệ thống trung thể ^[1]. Ngoài ra, PP2A còn có vai trò tương tự PP-1 trong cơ chế phân ly các NST tương đồng của noãn ^[5].

8. MAPK (Mitogen – activated protein kinase)

MAPK là protein kinase tham gia vào rất nhiều con đường truyền tín hiệu trong mọi tế bào của động vật hữu nhũ. Hoạt động của MAPK được điều hòa bởi 2 protein kinase upstream của nó là các ERK (extracellular signal - regulated kinase). Nhiều thí nghiệm trên noãn chuột thử nghiệm ức chế hoạt động của MAPK cho thấy các noãn này không có sự kéo dài các vi ống, dẫn đến không thể hình thành spindle và các NST đóng xoắn bất thường ^[4]. Bên cạnh đó, một nghiên cứu khác cho thấy nếu thiếu MAPK trong quá trình trưởng thành nhân noãn, ở telophase I, thể cực sẽ to bất thường. Điều này đưa ra giả thuyết rằng MAPK liên quan đến sự điều hòa các protein khung xương tế bào trên màng noãn dẫn đến bất thường trong hình thành eo thắt khi phóng thích thể cực ^[8]. Ngoài ra, MAPK còn tham gia điều hòa sự tái bắt giữ chu trình giảm phân của noãn ở MII (cơ chế đã trình bày ở phần 2).

9. Plk-1 (Polo – like kinase 1)

Polo-like kinase-1 là một protein kinase phosphoryl hóa protein ở serine/threonine, đóng vai trò trong quá trình hình thành spindle. Mức độ biểu hiện protein này tăng dần từ giai đoạn GVBD cho đến khi spindle được hình thành. Chúng được tìm thấy ở hai cực spindle tại MI và MII, người ta cũng tìm thấy sự xuất hiện của chúng ở mặt phẳng xích đạo của spindle trong khoảng thời gian từ anaphase đến kết thúc telophase. Ức chế Plk-1 dẫn đến các bất thường trong hình thành spindle cũng như làm mất khả năng noãn đạt được MII ^[7].

10. GSK-3 (Glycogen synthetase kinase)

GSK-3 protein là protein điều hòa, liên quan đến sự polymer hóa các vi ống. Protein này chủ yếu chi phối đến quá trình kéo dài và làm bền vi ống cũng như chi phối đến sự hình thành và thực hiện chức năng của hệ thống spindle cả trong nguyên phân và giảm phân của các tế bào. Một khi hoạt động của protein này bị ức chế, sự cơ cấu, tổ chức các vi ống trong hệ thống spindle bị biến đổi và spindle không thể thực hiện được chức năng của nó, dẫn đến các NST không phân ly hoặc phân ly bất thường ^[7].
Ta có thể tóm lược ảnh hưởng của các yếu tố điều hòa nói trên trong sơ đồ hình 1.

1.         de Pennart H, V.M., Cibert C, et al., Okadaic acid induces spindle lengthening and disrupts the interaction of microtubules with the kinetochores in metaphase II-arrested mouse oocytes. Devel Biol, 1993. 157: p. 170 - 181.
2.         Gall L, R.S., Le Bourhis D, et al., Cdc25C expression in meiotically competenct and incompetent goat oocytes. Mol Reprod Dev, 2002. 63: p. 4 - 12.
3.         Izumi T, W.D., Maller JL, Periodic changes in phosphorylation of the Xenopus cdc25 phosphatase regulates its activity. Mol. Biol. Cell, 1992. 3: p. 927 - 939.
4.         Lu Q, D.R., Angeles R, et al., Regulation of spindle formation by active mitogen-activated protein kinase and protein phosphatase 2A during mouse oocyte meiosis. Biol Reprod, 1991. 66: p. 29 - 37.
5.         Maihes JB, H.C., Fuseler JW, et al., Okadaic acid, an inhibitor of protein phosphatase 1 and 2A, induces premature separation of sister chromatids during meiosis I and aneuploidy in mouse oocytes in vitro. Chromosome Res, 2003. 11(6): p. 619 - 631.
6.         Picard A, C.J., Brautigan D, et al., Involvement of protein phosphatase 1 and 2A in the control of M phase - promoting factor activity in starfish. J Cell Biol, 1989. 109(6): p. 3347 - 3354.
7.         Seang Lin Tan, R.-C.C., William M Buckett, In-vitro maturation of human oocytes: Basic science to clinical application. 2007.
8.         Verlhac MH, L.C., Guillaud P, et al., Asymmetric division in mouse oocytes: with or without Mos. Curr Biol, 2000. 10: p. 1303 - 1306.
9.         Wickramasinghe D, B.S., Ernst MK, et al., Two CDC25 homologues are differentially expressed during mouse development. Development, 1995. 121: p. 2047 - 2056.
10.       Wu S, W.D., The distinct and developmentally regulated pattern of expression of members of the mouse Cdc25 gene family suggest differential function during gametogenesis. Devel Biol, 1995. 170: p. 195 - 206.

Từ khóa: Những yếu tố ảnh hưởng đến sự trưởng thành nhân noãn