Bộ ba nhà khoa học đã giành giải thưởng Nobel sinh lý học/y học năm 2019. Từ trái qua phải: William Kaelin, Gregg Semenza và Peter Ratcliffe. (Nguồn: https://www.sciencenews.org/article/medicine-nobel-2019-discovery-how-cells-sense-oxygen-cancer-wins)
Một bộ ba nhà khoa học đã giành giải thưởng Nobel sinh lý học/y học năm 2019 cho khám phá của họ về cơ chế tế bào cảm nhận và phản ứng với oxy. Bộ ba nhà khoa học này gồm Tiến sĩ Gregg Semenza thuộc Đại học Y Johns Hopkins, Tiến sĩ William Kaelin thuộc Viện Ung thư Dana-Farber ở Boston và Tiến sĩ Peter Ratcliffe thuộc Viện Francis Crick ở London. Ba nhà khoa học này đã thực hiện các khám phá liên quan đến hệ thống HIF, hệ thống các protein điều chỉnh phản ứng của tế bào với oxy. Ba nhà nghiên cứu sẽ cùng chia giải thưởng trị giá 9 triệu kronor Thụy Điển, tương đương hơn 900.000 USD. Trên thực tế, những khám phá này đã được bộ ba thực hiện vào những năm 1990, nhưng chỉ đến khi những tác động trọn vẹn của phát hiện này được minh chứng rõ ràng, nó mới được Hội đồng tuyển chọn giải Nobel xem xét trao giải, cựu chủ tịch Hội đồng tuyển chọn giải Nobel Ralf Pettersson tại Viện Karolinska cho biết.
Như chúng ta đã biết, về cơ bản, các tế bào cần oxy để hoạt động một cách chính xác. Nếu oxy không được điều chỉnh đúng cách, các tế bào có thể hoạt động sai chức năng hoặc thậm chí là chết. Dennis Brown, một nhà sinh lý học tế bào tại Bệnh viện Đa khoa Massachusetts và ĐH Y Harvard ở Boston, cũng là Trưởng Ban khoa học của Hiệp hội Sinh lý học Hoa Kỳ cho biết: “Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học hiểu rằng các tế bào có thể thích nghi với các mức oxy khác nhau, nhưng không biết nó đã được thực hiện như thế nào cho đến khi ba nhà khoa học mới đoạt giải công bố khám phá của họ”.
Semenza và Ratcliffe đều phát hiện ra rằng tất cả các tế bào đều có thể cảm nhận được khi mức oxy giảm. “Cơ thể của bạn làm tất cả mọi thứ để giữ mức oxy cao trong máu và trong các mô”, theo chuyên gia sinh học tế bào Andrew Murray ở Đại học Harvard. Ví dụ, ở những nơi có địa hình cao, nơi không khí loãng hơn, thì cơ thể sẽ phản ứng với việc không có đủ oxy, một tình trạng được gọi là thiếu oxy, bằng cách sản sinh ra EPO (erythropoietin), một loại hoóc-môn tiết ra từ thận và báo hiệu cho tủy xương sản sinh các tế bào hồng cầu. Vì các tế bào hồng cầu có chứa huyết sắc tố vận chuyển oxy đi khắp cơ thể, việc tạo ra nhiều tế bào hồng cầu giúp tăng lượng oxy trong tế bào và mô.
Semenza xác định yếu tố gây thiếu oxy là HIF, một phức hợp protein kích hoạt hoạt động của các gen cần thiết để tạo ra EPO và các protein khác, giúp tế bào điều chỉnh ở các điều kiện oxy thấp. Hệ thống HIF đóng vai trò quan trọng trong bệnh thiếu máu, ung thư, đau tim, đột quỵ và các rối loạn khác.
Ratcliffe đã phát hiện ra rằng các tế bào liên tục tạo ra các protein HIF. Nhưng nếu có đủ oxy, các tế bào sẽ nhanh chóng “nhai” các protein đó. HIF và các protein khác sẽ được sắp xếp để bị phá hủy bằng cách bị gắn thẻ, dưới dạng một protein nhỏ gọi là ubiquitin, với dấu hiệu “hãy ăn tôi”.
Gần như cùng lúc với Ratcliffe tìm ra khám phá của mình, Kaelin đang nghiên cứu một căn bệnh ung thư mang tính di truyền gọi là hội chứng Von Hippel-Lindau (VHL). Những người mắc bệnh ung thư di truyền này thường có khối u ở tụy, thận và tuyến thượng thận cũng như trong hệ thống thần kinh trung ương. Các khối u hệ thần kinh có thể giống như các chùm mạch máu và đôi khi sản sinh ra EPO, một dấu hiệu cho thấy các tế bào đang bị thiếu oxy. Kaelin đã phát hiện ra rằng các protein được xem như là phức hợp VHL vì chúng bị suy yếu trong các bệnh ung thư này, thúc đẩy việc gắn thẻ “hãy ăn tôi” vào HIF và kích hoạt sự phá hủy nó. Kaelin đã nghiên cứu làm thế nào VHL nhận biết được khi nào nên gắn thẻ HIF và khi nào nên rời đi. Khi nồng độ oxy ở ngưỡng bình thường, HIF mang các nhóm hydroxyl (mỗi nhóm gồm một phân tử oxy và một phân tử hydro - OH). Nhóm nghiên cứu của Ratcliffe và Kaelin đã định danh được các enzyme chịu trách nhiệm xử lý các nhóm hydroxyl làm tín hiệu cho VHL kích hoạt việc phá hủy HIF. Khi nồng độ oxy giảm, HIF “cởi bỏ” các nhóm hydroxyl nên VHL bỏ qua nó, điều này cho phép HIF tiến hành sản sinh ra EPO và các protein khác cần thiết để tồn tại. Các đột biến gây bất hoạt VHL làm tăng nồng độ HIF, do đó các tế bào ung thư có thể tăng cường các hoạt động “thu hoạch” oxy của nó và khuyến khích sự phát triển của mạch máu trong các khối u, một quá trình gọi là sự hình thành các mạch máu mới (angiogenesis). Thêm vào đó, HIF cũng tham gia vào việc kích hoạt sự sản sinh một loại protein kích thích sự phát triển của mạch máu gọi là VEGF. Điều này đặc biệt quan trọng trong ung thư vì các tế bào ung thư phát triển khá nhanh khiến nguồn cung cấp oxy của chúng nhanh chóng cạn kiệt, nồng độ HIF tăng sẽ giúp kích thích sự tăng trưởng của các tế bào ung thư.
Một số nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các liệu pháp có thể tắt HIF trong các tế bào ung thư, làm bất hoạt chúng. “Kích hoạt các phản ứng oxy thấp cũng có thể giúp ngăn ngừa đau tim và bệnh về thận”, ông Brown cho biết thêm. Hiện nay, thuốc Roxadustat, một loại thuốc tác động lên sự điều khiển hệ thống HIF, đã được phê duyệt ở Trung Quốc để điều trị thiếu máu ở bệnh nhân mắc bệnh thận mãn tính. Người ta bị thiếu máu khi thận mất chức năng vì các cơ quan ko sản sinh đủ EPO. Roxadustat chặn các enzyme phá vỡ HIF, giúp giữ chúng luôn ở tình trạng hoạt động để tăng nồng độ EPO và tăng sản sinh hồng cầu cho cơ thể.
Nói về giải thưởng này thành viên Hội đồng giải thưởng Nobel, ông Randall Johnson đã phát biểu trong buổi công bố giải thưởng của Hội đồng giải Nobel tại Viện Karolinska, Stockholm vào ngày 7 tháng 10 vừa qua rằng đây là một công trình nghiên cứu có ý nghĩa đối với hầu như mọi khía cạnh của sinh lý học từ chuyển hóa đến tập thể dục, miễn dịch, phát triển phôi cũng như các phản ứng của cơ thể với việc thiếu oxy ở các vị trí cao.
Tổng hợp và biên dịch: Trần Kiêm Khánh Hoa
Tham khảo: Tina Hesman Saey, Aimee Cunningham and Jonathan Lambert (2019). Discovery of how cells sense oxygen wins the 2019 medicine Nobel. Available at https://www.sciencenews.org/article/medicine-nobel-2019-discovery-how-cells-sense-oxygen-cancer-wins
