CƠ CHẾ TIÊU BIẾN ĐUÔI CỦA LƯỠNG CƯ AMPHIBIAN

Bài và Ảnh: Phùng Mỹ Trung, Phùng Nguyễn Trí Lâm

Cơ chế “đứt đuôi” ở nòng nọc lưỡng cư. Trước khi đi vào chi tiết bài viết, chúng ta cần chỉnh lại một điểm quan trọng rằng đuôi nòng nọc không “đứt” theo nghĩa cơ học tức thời như hiện tượng tự đứt đuôi (autotomy) ở thằn lằn. Đây là một quá trình hoàn toàn khác về bản chất – gọi chính xác là tiêu biến đuôi (tail resorption). Tức là đuôi co ngắn dần và biến mất hoàn toàn trong vài ngày, thông qua một lập trình chết tế bào có kiểm soát chặt chẽ ở cấp độ gen, chứ không tách rời khỏi cơ thể tại một mặt phẳng gãy định sẵn.
1. Biến thái lưỡng cư và vai trò trung tâm của hormone tuyến giáp.
Toàn bộ quá trình biến thái (metamorphosis) ở ếch nhái – từ nòng nọc bơi bằng đuôi, thở bằng mang, ăn thực vật, sống bầy đàn → ếch trưởng thành có chân, thở bằng phổi, ăn động vật, sống đơn độc – được điều khiển bởi hormone tuyến giáp (thyroid hormone – chủ yếu là T3/triiodothyronine). Đây là động lực chính chi phối mọi thay đổi mô trong biến thái và tốc độ tiêu biến đuôi có liên quan trực tiếp đến nồng độ hormone tuyến giáp trong cơ thể. Nồng độ hormone càng tăng vào giai đoạn cao trào biến thái, tốc độ tiêu biến đuôi càng nhanh.
Điều đặc biệt thú vị là cùng một loại hormone (T3 triiodothyronine, một hormone tuyến giáp) lại gây ra hai hiệu ứng hoàn toàn trái ngược nhau trên các mô khác nhau của cùng một cơ thể.
Ở đuôi và mang: T3 (T3 triiodothyronine, một hormone tuyến giáp) kích hoạt lập trình chết tế bào → mô co lại và biến mất.
Ở chân, não, mắt: T3 (T3 triiodothyronine, một hormone tuyến giáp) kích hoạt tăng sinh và biệt hóa tế bào → mô phát triển và trưởng thành.
Đây là ví dụ kinh điển trong sinh học phát triển về việc cùng một tín hiệu hormone có thể được các mô đích khác nhau “đọc” và phản hồi hoàn toàn khác nhau, tùy vào bộ gen đích (target gene) mà mỗi loại mô đã được lập trình sẵn để biểu hiện khi gặp tín hiệu đó.
2. Cơ chế phân tử: Thụ thể hormone tuyến giáp (TR) khởi động lập trình gen.
T3 tác động thông qua hai loại thụ thể nội bào: TRα và TRβ (T3 tác động thông qua thyroid hormone receptors (TRα/TRβ), từ đó, kích hoạt các gene liên quan đến apoptosis “chết tế bào theo chương trình” thúc đẩy hoạt động của các enzyme phân giải protein và chất nền ngoại bào, làm thay đổi hoạt động của tế bào miễn dịch, dẫn đến sự tái hấp thu và tiêu biến dần các mô của đuôi). Nghiên cứu gen knockout cho thấy hai thụ thể này có vai trò khác nhau rõ rệt
TRα = Biểu hiện mạnh cả trước và trong giai đoạn biến thái.
TRβ = Biểu hiện thấp ở giai đoạn tiền biến thái, nhưng tăng vọt khi bước vào biến thái – và đây chính là gen đích trực tiếp của T3.
Điểm mấu chốt là nòng nọc bị loại bỏ gen TRβ (TRβ-knockout) vẫn hoàn thiện phần lớn quá trình biến thái, nhưng đuôi (đặc biệt cấu trúc notochord – dây sống, trục nâng đỡ trung tâm của đuôi) không tiêu biến được như bình thường – cho thấy TRβ đóng vai trò đặc biệt, không thể thay thế trong việc tiêu biến notochord, dù TRα vẫn đủ khả năng điều khiển tiêu biến các mô đuôi khác như cơ và biểu bì.
3. Hai cơ chế tế bào song song: Apoptosis (chết theo lập trình) và phân giải chất nền ngoại bào (ECM).
Quá trình tiêu biến đuôi vận hành qua hai cơ chế phối hợp chặt chẽ, tác động lên hai loại “vật liệu” khác nhau của mô đuôi.
3a. Apoptosis – xóa bỏ tế bào
Từ những năm 1970, quan sát hiển vi điện tử đã ghi nhận được các tế bào cơ vân (striated muscle) và tế bào biểu bì trong đuôi đang tiêu biến chết theo cơ chế apoptosis kinh điển – nhân co lại, ADN phân mảnh, tế bào co nhỏ thành các thể apoptotic (mảnh tế bào được tạo ra khi một tế bào trải qua quá trình apoptosis – chết tế bào theo lập trình) rồi bị thực bào dọn dẹp, chứ không phải hoại tử (necrosis) gây viêm lan tràn.
Ở cấp độ phân tử, T3 kích hoạt trực tiếp con đường caspase ((cysteine-aspartate protease) là một nhóm enzyme protease chứa cysteine, có vai trò trung tâm trong quá trình chết tế bào theo chương trình “apoptosis” và một số dạng viêm, đáp ứng miễn dịch và chết tế bào khác) nghiên cứu trên dòng tế bào nguyên bào cơ (myoblast) lấy từ đuôi nòng nọc cho thấy T3 gây cảm ứng biểu hiện CPP32 (tên gọi cũ của caspase-3), một trong những “enzyme hành quyết” trung tâm của apoptosis, cắt phá các protein cấu trúc tế bào từ bên trong.
3b. Matrix metalloproteinases (MMPs) – phân giải “khung xương ngoại bào“.
Đây là phát hiện quan trọng bổ sung cho bức tranh apoptosis là tế bào chết không tự “biến mất trong chân không” – chúng nằm trong một mạng lưới chất nền ngoại bào (extracellular matrix – ECM) bằng collagen và các protein cấu trúc khác, và mạng lưới này cũng phải bị phân giải chủ động thì mô mới có thể co lại và tiêu biến hoàn toàn.
Nhóm enzyme chịu trách nhiệm chính là matrix metalloproteinases (MMPs các enzyme metalloproteinase của chất nền ngoại bào hoặc enzym phân giải chất nền kim loại, là một nhóm enzyme phân giải protein “protease” phụ thuộc chủ yếu vào ion Zn²⁺ để hoạt động) – họ enzyme phân giải protein ngoại bào. Nghiên cứu trên Kurixalus viridescens (Nhái cây xanh – sinh vật mô hình kinh điển nhất cho nghiên cứu biến thái lưỡng cư) đã xác nhận các gen MMP-2 (gelatinase A), MMP-9, MMP-13, MMP-14 (MT1-MMP) và stromelysin-3 đều được cảm ứng mạnh mẽ ở mô đuôi đang tiêu biến, và đặc biệt, việc dùng chất ức chế tổng hợp MMP đã chứng minh trực tiếp bằng thực nghiệm rằng MMP là điều kiện bắt buộc (required), không chỉ là hệ quả đi kèm, cho quá trình tiêu biến đuôi do T3 gây ra.
Điều thú vị là các MMP khác nhau có “địa bàn hoạt động” riêng biệt trong đuôi – MMP-9 và MMP-13 biểu hiện chủ yếu ở vùng notochord, cho thấy có sự phân công chuyên biệt hóa không gian giữa các loại MMP khi phân giải các cấu trúc mô khác nhau trong cùng một cái đuôi.
3c. Cơ chế điều hòa TIMP-2 – “phanh hãm” của MMP.
TIMP-2 (“Tissue Inhibitor of Metalloproteinases-2” là chất ức chế metalloproteinase mô số 2, một protein quan trọng giúp kiểm soát hoạt động của matrix metalloproteinases (MMPs), đặc biệt là MMP-2). Hoạt động của MMP cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh phá hủy lan tràn ngoài ý muốn. TIMP-2 (tissue inhibitor of metalloproteinases-2) – chất ức chế MMP tự nhiên – được biểu hiện đồng thời và tại cùng vị trí không gian với các MMP trong mô trung mô (mesenchyme) đang tái cấu trúc, cho thấy quá trình tiêu biến đuôi được điều phối bằng một cân bằng động (dynamic balance) giữa enzyme phân giải và chất ức chế, chứ không phải một “công tắc bật/tắt” đơn giản.

Tiêu biến đuôi ở Ếch cây feae Zhangixalus feae – Ảnh: Phùng Mỹ Trung

4. Autophagy (“tự thực bào” là một quá trình tế bào tự thu gom, phân giải và tái chế các thành phần bên trong tế bào thông qua hệ thống lysosome) và stress oxy hóa – các nhân tố bổ sung.
Nghiên cứu gần đây hơn (trên Cóc nhà Duttaphrynus melanostictus và Ếch cỏ bắc á Rana chensinensis) đã bổ sung thêm những ghi nhận mới, ngoài apoptosis và MMP, quá trình tiêu biến đuôi còn có sự tham gia của tự thực bào (autophagy) và stress oxy hóa, với sự phân giải các thành phần tế bào (degradation of cellular components) được xác định là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến tốc độ tiêu biến trong các nghiên cứu này – cho thấy đây là một quá trình đa cơ chế phối hợp, không chỉ đơn thuần là apoptosis + MMP như mô hình kinh điển trên Kurixalus.
5. Trình tự thời gian: “Độ trễ” (latent period) trước khi tiêu biến ồ ạt.
Một đặc điểm sinh học thú vị được ghi nhận từ khá sớm (Hamburgh et al. 1981) có một giai đoạn trễ (latent period) đáng kể giữa thời điểm hormone tuyến giáp bắt đầu tác động và thời điểm mô đuôi thực sự bắt đầu co lại rõ rệt. Điều này phản ánh việc T3 phải trước tiên khởi động một chuỗi tầng gen (gene cascade) – từ gen thụ thể, đến gen enzyme phân giải, rồi mới đến hiệu ứng mô học quan sát được – chứ không gây tiêu biến tức thời ngay khi hormone xuất hiện.
Theo hệ thống phân giai đoạn Nieuwkoop-Faber (chuẩn dùng cho Kurixalus), tiêu biến đuôi diễn ra mạnh nhất vào giai đoạn cao trào biến thái (metamorphic climax, khoảng giai đoạn 58-66) – đây cũng chính là giai đoạn nồng độ T3 trong máu đạt đỉnh cao nhất trong toàn bộ vòng đời con vật.
6. Ý nghĩa tiến hóa – Vì sao đuôi biến mất vĩnh viễn, không tái sinh ?
Đây là điểm đối lập thú vị so với chủ đề tự đứt đuôi ở thằn lằn mà ta đã thảo luận ở bài trước. Thằn lằn đứt đuôi để thoát hiểm tức thời, sau đó tái sinh đuôi mới vì đuôi vẫn còn giá trị chức năng lâu dài (giữ thăng bằng, dự trữ năng lượng). Ngược lại, đuôi nòng nọc bị tiêu biến vĩnh viễn không tái sinh, vì bản chất sinh thái hoàn toàn khác.
Đuôi nòng nọc là cấu trúc thích nghi tạm thời cho môi trường nước (bơi lội) – khi con vật chuyển hẳn sang lối sống trên cạn của ếch trưởng thành, đuôi trở nên hoàn toàn vô dụng, thậm chí cản trở vận động bằng bốn chân.
Vật liệu sinh học (protein, lipid) từ đuôi bị phân giải không hề “lãng phí” – chúng được tái sử dụng làm nguồn dinh dưỡng nuôi cơ thể trong giai đoạn cao trào biến thái, thời điểm nòng nọc/ếch non thường ngừng ăn hoàn toàn trong vài ngày do miệng và ống tiêu hóa cũng đang tái cấu trúc mạnh mẽ.
Nói cách khác, cơ chế tiêu biến đuôi ở nòng nọc là một ví dụ về một quá trình phát triển đã được “lập trình sẵn“ từ trong bộ gen (giống biến hình bắt buộc một chiều), khác hẳn về bản chất so với cơ chế tự đứt đuôi (autotomy) ở thằn lằn – một phản xạ phòng vệ có thể xảy ra hoặc không, tùy vào việc có bị kẻ săn mồi tấn công hay không.

Tài liệu tham khảo:
1. Kerr, J.F.R., Harmon, B., Searle, J. (1974). An electron-microscope study of cell deletion in the anuran tadpole tail during spontaneous metamorphosis with special reference to apoptosis of striated muscle fibres. Journal of Cell Science, 14, 571–585.
2. Yaoita, Y., Nakajima, K. (1997). Induction of apoptosis and CPP32 expression by thyroid hormone in a myoblastic cell line derived from tadpole tail. Journal of Biological Chemistry, 272, 5122–5127.
3. Jung, J.-C., Leco, K.J., Edwards, D.R., Fini, M.E. (2002). Matrix metalloproteinases mediate the dismantling of mesenchymal structures in the tadpole tail during thyroid hormone-induced tail resorption. Developmental Dynamics, 223, 402–413.
4. Ishizuya-Oka, A., Li, Q., Amano, T., Damjanovski, S., Ueda, S., Shi, Y.-B. (2000). Requirement for matrix metalloproteinase stromelysin-3 in cell migration and apoptosis during tissue remodeling in Xenopus laevis. Journal of Cell Biology, 150, 1177–1188.
5. Fujimoto, K. và cộng sự (2007). Expression of matrix metalloproteinase genes in regressing or remodeling organs during amphibian metamorphosis. Development, Growth & Differentiation, 49, hasebe cùng nhóm 2006 bổ sung.
6. Hasebe, T., Hartman, R., Matsuda, H., Shi, Y.-B. (2006). Spatial and temporal expression profiles suggest the involvement of gelatinase A and membrane type 1 matrix metalloproteinase in amphibian metamorphosis. Cell and Tissue Research, 324(1), 105–116.