Bộ máy Golgi là gì? Tìm hiểu cấu tạo, chức năng và vai trò trong y học
Nếu tế bào là một nhà máy sản xuất thì bộ máy Golgi được xem là trung tâm đóng gói và phân phối protein, lipid đến đúng địa chỉ mà tế bào cần. Đây là một bào quan đa chức năng, được tìm thấy ở hầu hết các tế bào nhân chuẩn. Bài viết dưới đây của Mescells sẽ trình bày chi tiết về cấu tạo, cơ chế hoạt động và vai trò của bộ máy Golgi trong nghiên cứu y học một cách khoa học và dễ hiểu
1. Bộ máy Golgi là gì?
Bộ máy Golgi (Golgi apparatus) là một bào quan có màng bao bọc, thuộc hệ thống màng nội bào, có chức năng tiếp nhận, xử lý, đóng gói và phân loại protein cũng như lipid được vận chuyển đến từ lưới nội chất trước khi gửi chúng đến đích cuối cùng ở trong hoặc ngoài tế bào. Đây là một trong những bào quan có mặt ở hầu hết các tế bào sinh vật nhân thực, đóng vai trò trung tâm trong con đường bài tiết của tế bào.
Bộ máy Golgi là thành phần không thể thiếu trong mỗi tế bào của con người
2. Cấu tạo của bộ máy Golgi
Bộ máy Golgi có cấu trúc đặc trưng gồm nhiều túi màng dẹt xếp chồng lên nhau, tạo thành một hệ thống có tính phân cực rõ rệt.
Chồng túi Golgi (Golgi stack): Đơn vị cấu trúc cơ bản của bộ máy Golgi gồm nhiều túi màng dẹt gọi là bể chứa (cisterna), xếp chồng lên nhau [1]. Các cisterna được liên kết với nhau nhờ các protein cấu trúc, tiêu biểu là GRASP65 và GRASP55, đóng vai trò giữ các túi màng xếp chồng ổn định.
Tính phân cực cis – medial – trans: Các chồng túi Golgi được phân cực và phân loại thành ba mô-đun riêng biệt: Golgi cis nhận trực tiếp các chất vận chuyển từ lưới nội chất (ER), Golgi medial, Golgi trans (TGN) có nhiệm vụ hướng về màng tế bào và phân loại các phân tử chất vận chuyển để vận chuyển đến các đích khác nhau [1].
Golgi ribbon: Ở tế bào của động vật có vú, nhiều chồng Golgi riêng lẻ thường liên kết ngang với nhau qua các ống màng, tạo thành một cấu trúc liên tục gọi là dải Golgi (Golgi ribbon), tạo điều kiện thuận lợi cho vận chuyển thuận chiều của các vật tải lớn.
Hệ enzyme phân bố không đồng đều: Bên trong các cisterna chứa hơn 200 loại enzyme glycosyltransferase và glycosidase khác nhau, tham gia vào quá trình gắn hoặc cắt bỏ các gốc đường trên protein và lipid. Đáng chú ý, các enzyme này không phân bố đồng đều mà tập trung theo gradient: enzyme xử lý giai đoạn sớm chủ yếu ở mặt cis, trong khi enzyme xử lý giai đoạn muộn và hoàn thiện tập trung nhiều hơn ở mặt trans [2].
>>> Tìm hiểu thêm: Ribosome là gì? Cấu tạo, cơ chế hoạt động và vai trò trong nghiên cứu y học
Bộ máy Golgi có cấu trúc đặc trưng gồm nhiều túi màng dẹt xếp chồng lên nhau
3. Cơ chế hoạt động của bộ máy Golgi
Bộ máy Golgi là bào quan trung tâm của con đường bài tiết, tiếp nhận các chất (lipid và protein) được tổng hợp trong lưới nội chất (ER), xử lý chúng (bằng cách thêm đường, lipid hoặc bằng protease), và sau đó phân loại chúng vào các ngăn nội bào chính xác.
Tiếp nhận
Các protein được vận chuyển từ lưới nội chất (ER) đi vào bộ máy Golgi thông qua ngăn trung gian ER-Golgi. Sau đó, chúng đi vào mạng lưới cis-Golgi trước khi tiếp tục đi qua các ngăn Golgi medial và Golgi trans của chồng Golgi, nơi diễn ra hầu hết các hoạt động trao đổi chất [3].
Xử lý
Các protein sau khi được tiếp nhận liên tục sẽ biến đổi thành các phân tử chức năng và được đánh dấu để vận chuyển đến các vị trí nội bào hoặc ngoại bào cụ thể. Một số biến đổi liên quan đến việc cắt các chuỗi bên oligosaccharide, sau đó gắn các phần tử đường khác nhau vào vị trí của chuỗi bên. Các biến đổi khác có thể liên quan đến việc bổ sung axit béo hoặc nhóm phosphate (phosphoryl hóa) hoặc loại bỏ monosaccharide [2].
Phân loại
Ở giai đoạn cuối cùng của quá trình vận chuyển qua bộ máy Golgi, các protein và lipid đã được biến đổi được phân loại trong mạng lưới Golgi trans và được đóng gói vào các túi vận chuyển ở mặt trans. Sau đó, các túi vận chuyển này sẽ đưa các phân tử đến đích của chúng, chẳng hạn như lysosome hoặc màng tế bào.
Cơ chế xử lý và phân loại các chất trong bộ máy Golgi
4. Chức năng của bộ máy Golgi
Bộ máy Golgi đảm nhiệm nhiều chức năng thiết yếu, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động bình thường của hầu như mọi loại tế bào.
Glycosyl hóa protein và lipid: Đây là chức năng trung tâm của bộ máy Golgi, bao gồm cả glycosyl hóa liên kết N (N-glycosylation, tiếp nối quá trình khởi đầu từ lưới nội chất) và glycosyl hóa liên kết O (O-glycosylation, khởi đầu và hoàn thiện chủ yếu tại Golgi). Các chuỗi đường gắn thêm này ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định, khả năng gấp cuộn và chức năng sinh học của protein [3].
Xử lý và hoàn thiện protein: Nhiều protein tiền thân cần trải qua các bước xử lý về mặt hóa học (như cắt bỏ đoạn tiền peptide, gắn thêm nhóm sulfate hoặc phosphate) trong quá trình đi qua bộ máy Golgi để trở thành dạng hoạt động hoàn chỉnh.
Tổng hợp một số loại lipid: Bộ máy Golgi là nơi diễn ra một phần quan trọng của quá trình tổng hợp sphingolipid – nhóm lipid cấu trúc quan trọng của màng tế bào và có vai trò quan trọng trong truyền tín hiệu nội bào [3].
Phân loại và đóng gói: Bộ máy Golgi đóng vai trò như một đơn vị phân loại trung tâm, đảm bảo mỗi protein và lipid được đưa đến đúng bào quan đích hoặc được tiết ra ngoài tế bào theo đúng nhu cầu sinh lý.
>>> Xem thêm: Peroxisome là gì? Tìm hiểu cấu tạo, cơ chế hoạt động và vai trò
Chức năng trung tâm của bộ máy Golgi là glycosyl hóa protein và lipid
5. Vai trò của bộ máy Golgi trong nghiên cứu y học
5.1. Ảnh hưởng của phân mảnh bộ máy Golgi trong bệnh thoái hóa thần kinh
Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy hiện tượng phân mảnh bộ máy Golgi (Golgi fragmentation) xuất hiện rất sớm trong quá trình bệnh sinh của nhiều bệnh thoái hóa thần kinh, bao gồm Alzheimer và Parkinson [4]. Sự phân mảnh này được cho là có thể làm gián đoạn quá trình vận chuyển và glycosyl hóa protein quan trọng cho chức năng synapse, từ đó góp phần đẩy nhanh tốc độ thoái hóa thần kinh.
5.2. Rối loạn glycosyl hóa bẩm sinh liên quan đến Golgi
Bên cạnh các bệnh mắc phải, một số rối loạn di truyền hiếm gặp xuất phát trực tiếp từ khiếm khuyết chức năng của bộ máy Golgi, tiêu biểu là nhóm bệnh rối loạn glycosyl hóa bẩm sinh (Congenital Disorders of Glycosylation – CDG). Các nhà khoa học đã ghi nhận gần 140 loại CDG khác nhau, phần lớn các bệnh này liên quan đến đột biến gen di truyền theo kiểu lặn, ảnh hưởng đến các enzyme tham gia glycosyl hóa hoặc các protein điều phối quá trình vận chuyển bên trong bộ máy Golgi [5].
5.3. Bộ máy Golgi trong nghiên cứu ung thư
Một số protein thường trú của bộ máy Golgi được ghi nhận có biểu hiện bất thường trong nhiều loại ung thư, tiêu biểu là GOLPH3 được chứng minh là thúc đẩy sự tăng sinh, sống sót và di căn của tế bào ung thư thông qua việc hoạt hóa con đường tín hiệu PI3K/Akt/mTOR [6]. Bên cạnh đó, những biến đổi bất thường trong glycosyl hóa protein và lipid do rối loạn chức năng Golgi cũng là một đặc điểm phổ biến của tế bào ung thư, ảnh hưởng đến khả năng bám dính, di chuyển và né tránh hệ miễn dịch của khối u. Dựa trên các phát hiện này, nhiều hướng tiếp cận điều trị đang được tiến hành thử nghiệm tiền lâm sàng [7].
Hình ảnh mô tả bộ máy Golgi trong quá trình tiến triển ung thư
5.4. Bộ máy Golgi trong đáp ứng miễn dịch và nhiễm trùng
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh bộ máy Golgi là một yếu tố đóng góp quan trọng vào các con đường tín hiệu miễn dịch bẩm sinh thông qua các kết nối màng giữa chúng và các bào quan khác như lưới nội chất, ty thể, thể nội bào [8]. Chúng giúp điều phối các phản ứng viêm và kích hoạt các con đường phòng vệ miễn dịch.
Ngoài ra, bộ máy Golgi cũng là mục tiêu tấn công của virus và vi khuẩn để phá vỡ hệ thống phòng thủ của vật chủ và lây lan qua các tế bào.
5.5. Nghiên cứu bộ máy Golgi như một đích điều trị tiềm năng
Một nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống hạt nano tiền thuốc, nhắm mục tiêu vào bộ máy Golgi và giải phóng axit retinoic trong môi trường axit. Chondroitin sulfat liên hợp với axit retinoic có thể làm giảm biểu hiện của các protein liên quan đến di căn bằng cách gây ra sự phân mảnh Golgi. Hệ thống hạt nano này có khả năng tăng cường hiệu quả chống di căn khi kết hợp với hóa trị liệu [9].
5.6. Thách thức trong nghiên cứu và ứng dụng bộ máy Golgi
Chưa có thuốc đặc hiệu nhắm vào bộ máy Golgi được phê duyệt lâm sàng: Dù nhiều con đường tín hiệu liên quan đến Golgi đã được xác định trong ung thư, đến nay vẫn chưa có loại thuốc nào chính thức được phê duyệt để điều trị ung thư thông qua cơ chế tác động trực tiếp lên bộ máy Golgi.
Khó phân biệt nguyên nhân và hậu quả: Trong các bệnh thoái hóa thần kinh, giới khoa học vẫn chưa xác định rõ liệu phân mảnh Golgi là nguyên nhân khởi phát bệnh hay chỉ là hậu quả thứ phát của quá trình thoái hóa. Điều này gây khó khăn cho việc phát triển liệu pháp can thiệp đúng thời điểm.
Tính phức tạp và đa dạng của glycosyl hóa: Vì glycosyl hóa liên quan đến hàng trăm enzyme khác nhau với sự phân bố không đồng đều trong Golgi, việc thiết kế liệu pháp can thiệp chọn lọc vào một loại glycosyl hóa cụ thể mà không ảnh hưởng đến các quá trình sinh lý khác vẫn còn nhiều rào cản kỹ thuật.
Chẩn đoán các bệnh rối loạn glycosyl hóa bẩm sinh (CDG) còn hạn chế: Do là nhóm bệnh hiếm và biểu hiện lâm sàng chồng lấp với nhiều bệnh lý phát triển thần kinh khác, việc chẩn đoán sớm và chính xác các rối loạn glycosyl hóa bẩm sinh liên quan đến Golgi vẫn đòi hỏi các xét nghiệm chuyên sâu chưa được phổ biến rộng rãi.
Các chiến lược chủ động để vận chuyển thuốc nano nhắm mục tiêu vào tế bào ung thư
Có thể nói, bộ máy Golgi không đơn thuần là một trạm trung chuyển thụ động trong tế bào, mà là một trung tâm xử lý, đóng gói và phân loại tinh vi. Chúng ngày càng được nhìn nhận là mắt xích quan trọng trong cơ chế bệnh sinh của các bệnh thoái hóa thần kinh, ung thư và các rối loạn di truyền hiếm gặp. Dù vẫn còn nhiều thách thức, nhưng với tốc độ phát triển nhanh chóng của các công cụ nghiên cứu tế bào và sinh học phân tử hiện nay, giới khoa học kỳ vọng những chức năng còn lại của bộ máy Golgi sẽ sớm được giải mã, mở đường cho các liệu pháp điều trị đột phá và mang lại nhiều hy vọng mới cho bệnh nhân trong tương lai không xa.
HỆ THỐNG Y TẾ CHUYÊN SÂU Y HỌC TÁI TẠO VÀ TRỊ LIỆU TẾ BÀO MESCELLS | MSC
- Hotline: 0866 022 097
- Địa chỉ: TT21, số 204 Nguyễn Tuân, phường Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam.
- Fanpage: Viện Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Tế Bào Mescells
NGUỒN THAM KHẢO:
- Meilan Chen, 2023, “The organization and function of the Golgi apparatus in dendrite development and neurological disorders”, ScienceDirect, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352304222003105
- “Golgi apparatus”, Britannica. https://www.britannica.com/science/Golgi-apparatus
- Aurel George Mohan, 2023, “The Golgi Apparatus: A Voyage through Time, Structure, Function and Implication in Neurodegenerative Disorders”, MDPI, https://www.mdpi.com/2073-4409/12/15/1972
- José Ángel Martínez-Menárguez, 2019, “Golgi Fragmentation in Neurodegenerative Diseases: Is There a Common Cause?”, MDPI, https://www.mdpi.com/2073-4409/8/7/748
- Ilenia Agliarulo, 2022, “Golgi Apparatus Regulates Plasma Membrane Composition and Function”, MDPI, https://www.mdpi.com/2073-4409/11/3/368#Diseases_Resulting_from_Impaired_Golgi_Function
- Sandica Bucurica, 2023, “Golgi Apparatus Target Proteins in Gastroenterological Cancers: A Comprehensive Review of GOLPH3 and GOLGA Proteins”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10378073/
- Dragos-Bogdan Vlad, 2023, “Golgi’s Role in the Development of Possible New Therapies in Cancer”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10252985/
- Ion Mărunţelu, 2024, “The Golgi Apparatus: A Key Player in Innate Immunity”, MDPI, https://www.mdpi.com/1422-0067/25/7/4120#Golgi_Apparatus_and_Microbial_Infection
- Haohuan Li, 2019, “Chondroitin Sulfate-Linked Prodrug Nanoparticles Target the Golgi Apparatus for Cancer Metastasis Treatment”, PubMed, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31375027/
Hotline
Zalo
Fanpage