MỞ ĐẦU Ung thư là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên thế giới. Báo cáo Globocan của cơ quan nghiên cứu quốc tế về ung thư thuộc Tổ chức Y tế Thế giới IARC năm 2020 ước tính có 19,3 triệu ca ung thư mới và 9,9 triệu ca tử vong do ung thư trong năm 2020 [31]. Ung thư là nguyên nhân quan trọng gây tử vong và là gánh nặng lớn ở mọi khu vực thế giới, không phân biệt mức độ phát triển. Vì vậy việc tìm ra những phương pháp mới và tối ưu để điều trị ung thư luôn là yêu cầu cấp thiết và trọng tâm nghiên cứu của nhiều lĩnh vực khoa học.
Với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực sinh học phân tử, các đích tác động liên quan đến ung thư đã được phát hiện, xác định cấu trúc, vai trò sinh học, các chất tác động lên những protein này hứa hẹn tiềm năng được phát triển thành các loại thuốc kháng ung thư. Trong đó Bcl-2 (B-cell lymphoma 2) được xem là mục tiêu để nghiên cứu phát triển thuốc ung thư mới. Bcl-2 có vai trò quan trọng trong ức chế quá trình apoptosis làm tế bào ung thư không được loại bỏ theo cơ chế chết tự nhiên. Nhiều chất tự nhiên và tổng hợp đã được xác định là chất ức chế Bcl-2, trong đó có venetoclax được FDA chấp thuận trong điều trị bạch cầu lympho bào mạn tính dòng tủy (CLL) vào năm 2016 và nhiều chất khác đang được thử nghiệm lâm sàng.
Việc sàng lọc thuốc mới nhắm mục tiêu Bcl-2 để hy vọng tìm ra thuốc mới có tiềm năng điều trị ung thư là vấn đề được quan tâm nghiên cứu. Việc phát triển thuốc mới là một quá trình lâu dài và tốn kém. Việc thử nghiệm hoạt tính in vitro của cơ sở dữ liệu lớn các hợp chất trên Bcl-2 đòi hỏi kinh phí lớn và thời gian dài. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu in silico tìm kiếm các chất ức chế B-cell lymphoma 2 trong điều trị bệnh ung thư” được thực hiện với mục tiêu xây dựng mô hình in silico để sàng lọc ảo các cấu trúc phân tử nhỏ có tiềm năng ức chế Bcl-2, từ đó định hướng cho việc thiết kế và tổng hợp các thuốc điều trị ung thư mới.
2 Với mục tiêu chung như trên thì mục tiêu cụ thể của đề tài được đặt ra như sau: i. Xây dựng cơ sở dữ liệu các hợp chất có khả năng ức chế Bcl-2 với hoạt tính ức chế Bcl-2 (Ki) từ các bài báo khoa học. Xây dựng mô hình mô tả phân tử docking để tìm ra các đặc điểm cấu trúc quan trọng cho hoạt tính sinh học của các chất ức chế Bcl-2 iii. Xây dựng mô hình pharmacophore dựa trên các hợp chất có khả năng ức chế Bcl-2 iv.
Nghiên cứu xây dựng mô hình mối liên hệ định lượng giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học (QSAR) của hợp chất trong cơ sở dữ liệu, dự đoán hoạt tính ức chế Bcl-2. Từ các mô hình tiến hành sàng lọc trên thư viện chứa số lượng lớn các dẫn chất để tìm ra chất có tiềm năng ức chế Bcl-2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH APOPTOSIS VÀ VAI TRÒ TRONG BỆNH UNG THƯ Apoptosis là quá trình chết theo chương trình của tế bào và đóng vai trò quan trọng ở động vật có vú trong sự phát triển cũng như cân bằng nội mô.
Quá trình này giúp loại bỏ những tế bào không cần thiết hoặc không mong muốn. Apoptosis được kích hoạt bởi những tín hiệu từ bên trong và bên ngoài tế bào. Các tín hiệu nội bào bao gồm tổn thương DNA, sự thiếu hụt yếu tố tăng trưởng hay thiếu hụt cytokin, còn các tín hiệu ngoại bào phổ biến nhất là các tín hiệu gây chết được tạo ra bởi các tế bào T gây độc tế bào từ hệ thống miễn dịch để đáp ứng với các tế bào bị tổn thương hoặc bị nhiễm trùng. Tương ứng với hai loại tín hiệu này, có hai con đường khác nhau dẫn đến apoptosis, đó là con đường nội sinh và ngoại sinh (còn gọi là con đường ty thể và con đường thụ thể chết).
Tuy có sự khác nhau về đường truyền tín hiệu ban đầu, hai con đường apoptosis hội tụ tại các caspase (Hình 1. Trong hầu hết các tế bào ở động vật có vú, yêu cầu quan trọng để kích hoạt con đường apoptosis nội sinh là sự thẩm thấu màng ngoài ty thể (MOMP: mitochondrial outer membrane permeabilization) và sự phóng thích cytochrom c từ ty thể vào tế bào chất, dẫn đến sự hình thành apoptosome và kích hoạt caspase 3. Việc giải phóng cytochrom c từ ty thể được kích thích bởi các thành viên pro-apoptotic của họ BCL-2 như BAX, BAK1, BIM, BID và BBC3 (thường được gọi là PUMA) và bị ức chế bởi các thành viên chống apoptosis cùng họ, như BCL-2, BCL-XL, BCL-W, BCL-2-A1 và MCL1. Ức chế BCL-2, BCL-XL và MCL-1 là một trong những mục tiêu nghiên cứu nhằm tìm ra chất kiểm soát sự phát triển ung thư bằng việc thúc đẩy quá trình apoptosis [9].
Tổng quan về các con đường apoptosis [9] 1. HỌ PROTEIN BCL-2 Họ BCL-2 từ lâu đã được xác định vai trò trong apoptosis. Sau phát hiện ban đầu về BCL-2 trong bối cảnh ung thư hạch tế bào B vào những năm 1980, một số protein tương đồng đã được xác định. Các thành viên của họ protein Bcl-2 được xác định do các vùng tương đồng BCL-2 (BH: BCL-2 homology) và liên quan đến điều hòa quá trình apoptosis.
Các miền tương đồng này tạo điều kiện cho các thành viên trong họ protein này tương tác với nhau và có thể xác định chức năng gây ung thư hay chống ung thư [38]. 5 Theo truyền thống, các protein này được phân loại thành ba phân nhóm: - Protein ức chế apoptosis (anti-apoptotic): gồm BCL-2, BCL-X L, BCL-W, BCL-B, MCL-1L (có vùng tương đồng BH4); MCl-1, BFL-1/A1, BCL2L12 (thiếu vùng tương đồng BH4) - Protein chỉ có miền tương đồng BH3 gây ra apoptosis (BH3-only pro-apoptotic) như BAD, Noxa, BMF, BIK/BLK, Beclin-1… - Protein hình thành lỗ hoặc cắt gây ra apoptosis như BAX, BAK, BOK, BIM, BID, PUMA Các vùng BH được coi là trung tâm để phân loại thành các phân họ vì chúng tạo điều kiện cho sự tương tác của các thành viên trong họ protein. BH3 ban đầu được đánh dấu là một vùng quan trọng vì nó được chứng minh rất quan trọng đối với sự tương tác của BCL-XL ức chế apoptosis và protein gây cắt ức chế apoptosis BAK, cũng như cho hoạt tính apoptosis. Miền BH3 rất quan trọng đối với nếp gấp đúng của túi kỵ nước mà tại đó gây ra tương tác của thành viên họ protein BCL-2.
Do đó, các đột biến điểm hoặc việc xóa vùng BH3 đã được chứng minh làm giảm đáng kể hoạt tính gây ra apoptosis của một số protein chỉ có BH3. Trong khi đó vùng BH4 được cho là có ý nghĩa đối với phân họ ức chế apoptosis; xóa vùng BH4 có thể chuyển từ ức chế apoptosis sang gây ra apoptosis [38]. PROTEIN ỨC CHẾ APOPTOSIS BCL-2 Trong hầu hết mô khối u và các dòng tế bào ung thư, các protein họ Bcl-2 ức chế apoptosis thường được biểu hiện cao. Sự tăng quá mức các protein chống apoptosis của gia đình họ protein Bcl-2 thúc đẩy sự sống sót và tăng sinh tế bào, dẫn tới sự đề kháng trị liệu do tế bào tránh khỏi quá trình apoptosis [28].
Bởi vậy ức chế protein apoptosis là mục tiêu nhiều hứa hẹn trong điều trị ung thư, trong đó 3 protein Bcl-2, Bcl-X L,. 6 MCL-1 được tập trung nghiên cứu nhiều nhất trong thời gian qua. Nghiên cứu này tập trung nghiên cứu Bcl-2. Bcl-2 (B-cell lymphoma 2) là thành viên đầu tiên của họ protein Bcl-2 được xác định.
Bcl-2 được phát hiện lần đầu tiên trong bệnh u lympho tế bào B do sự chuyển vị nhiễm sắc thể giữa nhiễm sắc thể 14 và 18 t(14:18). Sự chuyển vị nhiễm sắc này gây ra sự tăng cường phiên mã BCL-2, tạo ra lợi thế sống sót cho các tế bào ung thư. Bcl-2 được ghi nhận biểu hiện quá mức trong ung thư tuyến tiền liệt, ung thư vú, đại trực tràng [16], [34]. Gen BCL-2 bao gồm ba exon, hai exon đầu tiên mã hóa bốn miền BH, trong khi đó exon 3 mã hóa miền xuyên màng gắn protein vào màng nội bào (Hình 1.
Có hai đồng phân của BCL-2; BCL-2α và BCL-2β. Trong khi BCL-2α là anti-apoptotic thì BCL-2β vẫn chưa được mô tả đầy đủ. Cấu trúc của protein BCL-2α với hai vòng xoắn kỵ nước trung tâm (α1 và α2) được bao quanh bởi năm chuỗi xoắn ốc và miền xuyên màng đầu C. Rãnh kỵ nước đặc trưng này bao gồm các vòng xoắn 3, 4, 5 và 6 [38].
Cấu trúc mô hình các vùng chức năng protein Bcl-2 [38] Cấu trúc tổng thể của Bcl-2 (1) bao gồm 2 trung tâm, chuỗi xoắn kỵ nước ưu thế (chuỗi α5 và α6) được đóng gói bởi bốn chuỗi xoắn lưỡng tính α1 - α4. Chuỗi xoắn α1 (acid amin 11-24) được kết nối với chuỗi xoắn α2 (acid amin 93-108) bằng một vòng ngắn. 7 Chuỗi xoắn α1 và α2 được định hướng song song với nhau, giao nhau ở góc khoảng 45°. Một vòng dài, chứa duy nhất chuỗi xoắn α3, kết nối chuỗi xoắn α2 với vòng xoắn α4 (acid amin 126-137) và dẫn đến một hướng gần như vuông góc cho hai chuỗi xoắn này.
Chuỗi xoắn α4, α5 (acid amin 144-163) và α6 (167-192) được định hướng theo kiểu gần như song song với một nút trong chuỗi xoắn α6 tại histidin 184. Một vòng xoắn không đều gồm hai acid amin glycin nối chuỗi xoắn α6 (acid amin 195-202) với chuỗi xoắn α7 (acid amin 195-202), định hướng chuỗi xoắn α7 vuông góc với chuỗi xoắn α4, α5 và α6 (Hình 1. Cấu trúc tinh thể của Bcl-2 đã được xác định trên ngân hàng dữ liệu protein PDB, các cấu trúc Bcl-2 đồng kết tinh với các phối tử như 4IEH, 4MAN, 6GL8, 6O0K…được xem xét sử dụng trong nghiên cứu này [54]. Cấu trúc 3D protein Bcl-2 [26] Miền BH3 ở các protein gây ra apoptosis hoạt động như những phối tử gắn kết vào các protein ức chế apoptosis.
Miền BH3 hình thành một chuỗi xoắn kép lưỡng cực có thể gắn vào rãnh kỵ nước lớn trên protein ức chế apoptosis Bcl-X L. Bốn acid amin kỵ nước (h1-h4) trên một mặt của vòng xoắn thâm nhập vào các túi tương ứng (p1-p4) xếp thành hàng trên rãnh của Bcl-XL (hình 1. Các phức hợp miền BH3 với protein ức. 8 chế apoptosis tổng thể là giống nhau.
Điều này thúc đẩy sự ra đời của các chất phân tử nhỏ ức chế Bcl-2 bắt chước sự tương tác này [18]. Cấu trúc tinh thể của Bcl-2 với venetoclax (Mã PDB: 6O0K) với khoang gắn kết dạng rãnh dài hẹp.