CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về đích Heat shock protein 90 (HSP90) 1. Giới thiệu HSP90 là một protein chaperon xuất hiện nhiều ở các sinh vật nhân thực, đóng vai trò vai trò thiết yếu trong nhiều quá trình của tế bào bao gồm kiểm soát chu kỳ tế bào, sự sống của tế bào, hormon và các con đường truyền tín hiệu khác. HSP90 hoạt động bằng cách hỗ trợ một nhóm các protein (protein cilent) gấp lại thành các cấu trúc chức năng của chúng, ổn định chúng chống lại sự biến tính do các điều kiện gây căng thẳng như nhiệt độ và tạo điều kiện cho chúng phân hủy thích hợp khi cần thiết [21].
Tuy nhiên, chức năng tương tự này cũng xuất hiệt ở các tế bào ung thư [21]. Do đó, HSP90 đã nổi lên như một mục tiêu đầy hứa hẹn để phát triển các phương pháp điều trị ung thư mới. Cấu trúc, chức năng và cơ chế hoạt động của HSP90 Cấu trúc tổng thể của HSP90 là một homodimer với mỗi monomer gồm 3 miền riêng biệt: miền đầu N (NTD), miền giữa (MD) và miền đầu C (CTD). Ngoài ra ở các sinh vật nhân thực thì HSP90 có thêm vùng liên kết tĩnh điện (charged region) nối miền đầu C và miền giữa với nhau (Hình 1.
Mỗi miền cấu trúc trong HSP90 có chức năng cụ thể. Miền đầu N chứa vị trí liên kết ATP có vai trò quan trọng với các protein chaperon trong siêu họ protein GHKL (Gyrase, HSP90, histidine kinase, and MutL) [3]. Miền giữa có các rãnh kỵ nước nơi xảy ra tương tác giữa các protein cilent và HSP90 có vai trò quan trọng đối với việc điều chỉnh hoạt động ATPase trong đầu N [48]. Miền đầu C bao gồm 2 vị trí quan trọng đó là vị trí chịu trách nhiệu cho quá trình dimer hoá 2 chuỗi monomer và vị trí tương tác với các co-chaperon nhờ trình tự bảo tồn Met-Glu-Glu-Val-Asp (MEEVD).
CTD chứa một vị trí liên kết nucleotid điều hoà hoạt động ATPase trong NTD [6].1: Cấu trúc của HSP90 2 Các nghiên cứu trước đây cho thấy các thành viên thuộc họ HSP90 đều thực hiện chức năng gấp các protein cilent thông qua 1 chu trình phức tạp. Mặc dù chưa hiểu biết đầy đủ về chu trình chu trình gấp protein cilent, nhưng các nhà khoa học chỉ ra bộ máy chaperon HSP90 hoạt động trong chu trình có sự phối hợp của các co-chaperon, protein cilent và immunophilin [13] [14] (Hình 1.2: Cơ chế hoạt động của HSP90 Đầu tiên các protein cilent mới được tổng hợp hoặc gấp sai được liên kết với chaperon HSP40/HSP70 hình thành phức hợp protein. Sau đó protein client trong phức hợp này sẽ được sẽ được liên kết với HSP90 nhờ sự hỗ trợ bởi HOP (protein tổ chức HSP70-HSP90). Sau khi protein cilent được liên kết với HSP90, các co-chaperon khác, các immunophilin (FKBP51, FKBP52) được thêm vào homodimer HSP90 tạo thành phức hợp dị protein được kích hoạt trong khi HSP70 và HOP được giải phóng.
Sau đó ATP sẽ được liên kết với NTD của HSP90 để chuyển HSP90 từ trạng thái mở sang trạng thái đóng. Sau đó các co-chaperon p23 và aha1 (aha1 chưa được thể hiện trên sơ đồ) đến gắn vào HSP90 và hỗ trợ quá trình gấp lại protein cilent. Cuối cùng nhờ miền giữa của HSP90 gây ra quá trình thuỷ phân ATP thành ADP sẽ giúp gấp lại protein cilent đồng thời tăng cường giải phóng ra các immunophilin và co-chaperone và protein cilent đã được gấp lại. HSP90 sau đó tiếp tục bước vào chu trình mới để gấp lại protein cilent khác [21].
Thông qua sự tương tác với protein cilent và các chất hỗ trợ hoạt động (protein co-chaperon), HSP90 tạo điều kiện cho việc gấp và ổn định nhiều loại protein cilent, điều chỉnh các con đường truyền tín hiệu như tăng sinh và chết theo chu trình của tế 3 bào, chống lại các tác nhân gây căng thẳng như sốc nhiệt, thiếu hụt chất dịnh dưỡng. Đặc biệt HSP90 thường được biểu hiện quá mức trong các tế bào ung thư và góp phần gây ung thư bằng cách ổn định và kích hoạt các protein cilent khác nhau liên quan đến sự phát triển, sống sót và di căn của các tế bào ung thư. Do đó, đích phân tử HSP90 đã nổi lên như một mục tiêu sinh học đầy hứa hẹn trong điều trị ung thư bằng cách ngăn chặn nhiều con đường truyền tín hiệu gây ung thư [48]. Phân loại HSP90 thông thường được phân loại dựa theo vị trí xuất hiện trong tế bào, trong đó HSP90α1, HSP90α2 và HSP90β nằm trong tế bào chất; GRP94 xuất hiện trong lưới nột chất và TRAP1 chủ yếu nằm trong ty thể [19] HSP90α1 và HSP90α2 là 2 đồng dạng phổ biến ở trên con người, cả hai có cấu trúc tương tự nhau, chỉ khác nhau ở điểm HSP90α1 có phần mở rộng hơn ở miền đầu N phần còn lại của cấu trúc đều giống nhau ở cả hai dạng đồng dạng bao gồm miền đầu N được bảo tồn cao, miền liên kết, miền giữa liên quan đến hoạt động ATPase và miền đầu C.
Cả hai dạng này đều là protein tế bào cảm ứng. Ngoài ra Các đồng phân Hsp90α đã được xác định là biểu hiện ngoại bào trên các tế bào ung thư vú gây ra các tương tác rất quan trọng cho sự xâm lấn của khối u [13], cho thấy đích HSP90α là đích tiềm năng cho các chất chống ung thư. HSP90β còn được gọi là protein cấu trúc có chức năng quan trọng trong việc gấp và ổn định protein cilent trong các con đường truyền tin tế bào, duy trì sự sống tế bào. Do đó thông thường HSP90 được sử dụng để chỉ định cho cả 2 đồng dạng này trừ khi có nghiên cứu sâu về 1 đồng dạng cụ thể.
Protein GRP94, còn gọi là glucose-regulated protein 94 (GRP94), là một chaperon chủ yếu trong ty thể tế bào. GRP94 đảm nhiệm việc gấp protein, bảo vệ protein khỏi tự phá hủy và duy trì sự ổn định của chúng. GRP94 được kích hoạt trong các điều kiện căng thẳng tế bào, như sự tích tụ protein bất thường hoặc điều kiện môi trường bất lợi [11]. Về cấu trúc, GRP94 có ba miền giống HSP90, nhưng khác nhau ở trình tự và độ dài chuỗi acid amin ở đầu N để phù hợp với sự tương tác với các protein cilent trong ty thể.
Hơn nữa, Đầu C của GRP94 có trình tự bảo tồn KDEL thay vì MEEVD như các HSP90 khác. [21] Protein TRAP1 (TNF receptor-associated protein 1) là một chaperon protein tham gia vào quá trình gấp protein và bảo vệ các protein trong ty thể khỏi sự tự phân hủy. Ngoài ra, nó còn đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng nội môi của ty thể và điều chỉnh các quá trình liên quan đến năng lượng và sự sống còn của tế bào. Về mặt 4 cấu trúc TRAP1 cũng có 3 miền như các HSP90 khác nhưng không có vùng liên kết kỵ nước và trình tự bảo tồn MEEVD.3: Độ dài chuỗi acid amin của các đồng dạng HSP90 1.
HSP90 là mục tiêu phân tử sinh học đầy tiềm năng cho các chất chống ung thư Trong các nghiên cứu trước đây, các khối u ung thư được báo cáo phát hiện HSP90 biểu hiện quá mức bao gồm ung thư tuyến tụy, buồng trứng, vú, phổi… [46,58,64]. HSP90 là chaperon protein có nhiều trong các tế bào nhân thực và có khả năng hỗ trợ gấp lại với hàng trăm protein cilent khác nhau, bao gồm các kinase, protein vận chuyển, thụ thể của hormon steroid, và các protein khác có vai trò quan trọng trong sự sống và chết của tế bào [62]. Nhờ cơ chế này mà đối tế bào bình thường HSP90 sử dụng để điều chỉnh sự tăng sinh, tăng trưởng, biệt hóa và chết của chúng. Mặt khác, các tế bào ung thư được đặc trưng bởi sự tăng sinh dai dẳng không kiểm soát được và thiếu các cơ chế điều hòa tự nhiên chịu trách nhiệm cho sự tăng sinh tế bào và cân bằng nội môi [38].
Vì vậy các chaperon protein như HSP90 đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và duy trì sự ổn định của những protein cilent trong tế bào ung thư nên các chất ức chế nhắm đích HSP90 được phát triển và tổng hợp để điều trị các bệnh ung thư liên quan đến HSP90 Ban đầu các nhà nghiên cứu tập trung khám phá các chất ức chế HSP90 tại vị trí ATPase của miền đầu N (NTD) theo cơ chế ức chế cạnh tranh với ATP gắn vào. Các sản phẩm tự nhiên như geldanamycin (GA) có nguồn gốc từ Streptomyces hygroscopeus và kháng sinh radicicol (RD), phân lập từ Monosporium bonorden cho thấy sự ức chế khả năng tăng sinh và phát triển của khối u [9, 60]. Với cấu trúc tương tự ATP, các chất ức chế HSP90 này liên kết với vị trí ATPase của NTD trong cấu trúc HSP90, do đó cản trở quá trình liên kết và thủy phân ATP dẫn đến sự suy thoái của các protein cilent gây ung thư HSP90 [17]. Mặc dù hiệu quả chống ung thư của GA và RD đã được thử nghiệm trong nhiều nghiên cứu in vivo và in vitro nhưng nó vẫn chưa được chấp thuận cho sử dụng lâm sàng do tính không ổn định về cấu trúc và gây độc 5 cho gan.
Do đó các các dẫn chất của GA và RD được phát triển để nhắm mục tiêu đầu N của HSP90. Tuy nhiên, cho đến nay các chất ức chế HSP90 nhắm mục tiêu vào đầu N được đưa vào thử nghiệm lâm sàng nhưng chưa có chất nào được FDA chấp thuận trở thành thuốc điều trị ung thư. Điều này là do những ảnh hưởng có hại cho sức khỏe của phản ứng sốc nhiệt (HSR) [36]. HSR là một cơ chế điều hòa tăng HSP90 và các protein sốc nhiệt khác như một phương pháp để khắc phục căng thẳng tế bào (hình 1.
Sau khi các chất ức chế vào HSP90 sẽ khiến protein này giải phóng ra yếu tố HSF-1 (heat shock factor -1: yếu tố gây sốc nhiệt), yếu tố này sẽ khiến cho tế bào tăng tổng hợp các HSP trong đó có HSP90. Vì vậy mà nồng độ chất ức chế phải tăng để ức chế HSP90 tăng tổng hợp dẫn đến xuất hiện độc tính quá liều.4: Cơ chế của phản ứng sốc nhiệt (HSR) Do đó đến nay các nhà nghiên cứu đang chuyên hướng sang các chất ức chế miền đầu C của HSP90 mang lại một giải pháp thay thế có giá trị để nhắm mục tiêu vào các tế bào ung thư mà không gây ra HSR. Trong bài nghiên cứu này cũng sẽ đi sâu vào vị trí hoạt động tại CTD cũng như thiết kế hợp lý chất ức chế nhắm đích vào vị trí hoạt động trong CTD của HSP90 1. Vị trí hoạt động tại miền đầu C của HSP90 Với những lợi ích điều trị của việc nhắm mục tiêu HSP90 CTD, các nhà nghiên cứu đã cố gắng phát triển các chất ức chế nhắm miền đầu C.