Chương 1. Giới thiệu về histon deacetylase Quá trình acetyl hóa/deacetyl hóa nhờ các enzym của histon được quan sát lần đầu tiên vào những năm 1960. Trong cùng khoảng thời gian này, vai trò của nhiễm sắc thể (NST) trong điều hòa gen, mối quan hệ giữa sự thay đổi trong quá trình acetyl hóa histon và quá trình truyền thông tin di truyền trong ADN bắt đầu được phát hiện [202]. Ngày nay, người ta đã chứng minh rằng quá trình acetyl hóa thuận nghịch của histon cùng với quá trình methyl hóa và phosphoryl hóa ADN là những yếu tố điều chỉnh quan trọng nhất của quá trình sao chép gen, liên quan đến khả năng tiếp cận ADN.
Do đó, đây là một cơ chế quan trọng trong di truyền học biểu sinh của phiên mã gen [154]. Cấu trúc của nucleosom và vai trò của HAT, HDAC Histon có hai dạng tồn tại là acetyl hóa hoặc deacetyl hóa được chuyển hóa qua nhau nhờ 2 enzym là histon acetyltransferase (HAT) và histon deacetylase (HDAC). Quá trình acetyl hóa histon được thực hiện bởi enzym HAT. Enzym này tác động lên nhóm ε-NH2 của lysin tận cùng, có mặt trong bốn loại histon H2A, H2B, H3 và H4 [72].
Quá trình acetyl hóa dẫn đến mất điện tích dương ở chuỗi bên và do đó làm mất tương tác ion với nhóm phosphat tích điện âm trong các nucleotid của ADN. Điều này làm cho nhiễm sắc thể tháo xoắn và giúp cho quá trình phiên mã dễ dàng hơn. Hơn nữa, quá trình acetyl hóa có thể làm xáo trộn tương tác protein-protein (protein-protein interaction - PPI) giữa các histon khác nhau trong nucleosom và do đó làm thay đổi cấu trúc của vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin). HDAC, có thể được gọi là protein deacetylase (PDAC) vì một số mục tiêu của chúng là protein không chứa histon, là một nhóm gồm mười một enzym phụ thuộc kẽm đang trở thành một trong các mục tiêu điều trị trong nghiên cứu ung thư.
Biểu hiện bất thường của chúng trong nhiều tế bào ung thư làm thay đổi biểu hiện của gen ức chế khối u (TSG) và các gen liên quan đến chức năng tế bào bình thường. Việc tác động lên các tế bào ung thư bằng các chất ức chế HDAC là một điểm khởi đầu để tái chuẩn hóa biểu hiện TSG, dẫn đến quá trình apoptosis của tế bào ung thư [145]. Các HDAC chịu trách nhiệm loại bỏ nhóm acetyl của lysin từ các protein bao gồm histon và một nhóm protein lớn liên quan đến các chức năng khác nhau như các yếu tố phiên mã (p53, Rb và hơn 60 loại khác), chính các HAT và HDAC, các enzym xử lý ARN (RNA processing enzyme), EF1α tham gia vào quá trình dịch mã, các enzym chuyển hóa, protein của bộ xương tế bào (cytoskeleton) như α-tubulin, actin, cortactin, protein liên quan đến tín hiệu tế bào, apoptosis, sửa chữa ADN, tái tổ hợp và sao chép, protein chaperon và protein virus [141], [232]. Do đó, quá trình deacetyl của histon giúp ức chế biểu sinh và đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phiên mã cũng như tiến trình phát triển của chu kỳ tế bào.
Phân loại Siêu họ enzym histon deacetylase bao gồm các histon deacetylase của sinh vật nhân thực (eukaryot), protein sử dụng acetoin (acetoin utilization proteins - ACUC) ở vi khuẩn và acetylpolyamin amidohydrolase (APHA) ở vi khuẩn và một số sinh vật nhân thực (eukaryot) [117]. Cho đến thời điểm hiện tại, các nhà khoa học đã xác định được 18 loại HDAC có mặt ở con người và chúng được chia thành 4 nhóm căn cứ vào sự tương đồng của chúng với HDAC ở nấm men [54], [56], [76], [145], [169]: - Nhóm I: Các HDAC nhóm này có sự tương đồng với enzym HDA của nấm men, bao gồm các HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8. - Nhóm II: Các HDAC nhóm này có sự tương đồng với enzym HDB của nấm men, được chia làm hai phân nhóm nhỏ hơn: + Phân nhóm IIa: bao gồm HDAC4, HDAC5, HDAC7, HDAC9. + Phân nhóm IIb: bao gồm HDAC6, HDAC10.
- Nhóm III: Các HDAC nhóm này có sự tương đồng với protein nấm men Sir2 còn được gọi là các sirtuin. Chúng là các HDAC hoạt động phụ thuộc vào NAD+, không 3 luan an liên quan đến cấu trúc hoặc cơ chế xúc tác với các nhóm khác và sẽ không được thảo luận trong luận án này. Chúng bao gồm các sirtuin 1-7. - Nhóm IV: Nhóm này chỉ có duy nhất một đại diện là HDAC11.
Cấu trúc của HDAC11 không có sự tương đồng với HDA hay HDB của nấm men. Các HDAC nhóm I, II và IV được coi là những HDAC “kinh điển”, là những enzym phụ thuộc Zn2+. Vị trí xúc tác của chúng có dạng túi với một ion Zn2+ ở đáy nên những enzym này có thể bị ức chế bởi các hợp chất tạo chelat với Zn2+ như các acid hydroxamic. Nhóm III là những sirtuin không bị ức chế bởi những hợp chất như vậy vì chúng có cơ chế hoạt động khác là phụ thuộc vào NAD+ [73].
Các HDAC khác nhau có chiều dài khác nhau, chuỗi acid amin thay đổi từ 347 ở HDAC11 (HDAC có chiều dài ngắn nhất) đến 1215 ở HDAC6 (HDAC có chiều dài lớn nhất). Tuy nhiên, cấu trúc vùng xúc tác cho quá trình deacetyl hóa được bảo tồn. Sự khác biệt giữa các HDAC được tìm thấy ở cấu trúc lối vào của trung tâm hoạt động. Các HDAC nhóm I có một khoang phụ nằm bên trong trung tâm hoạt động, có vai trò là lối vào của phân tử nước và là lối ra của phân tử acid acetic.
Khoang phụ này không được tìm thấy ở các HDAC nhóm II, phân tử nước và acid acetic có thể đi qua lối vào/lối ra khác. Đối với các HDAC nhóm III, nhóm acetyl loại bỏ được liên kết với ADP-ribose trong cuối phản ứng xúc tác. Vị trí phân bố của các HDAC cũng có sự khác biệt, HDAC nhóm I và nhóm IV chủ yếu được tìm thấy ở nhân tế bào, nhóm IIb được tìm thấy chủ yếu ở bào tương, nhóm IIa được tìm thấy ở nhân và bào tương và nhóm III được tìm thấy ở cả ở nhân, bào tương và ty thể [169]. Cơ chế xúc tác của các enzym histon deacetylase nhóm I, II và IV Đã có rất nhiều nghiên cứu về cơ chế xúc tác của các enzym histon deacetylase phụ thuộc Zn2+ như nghiên cứu của Finnin năm 1999 [67], nghiên cứu của Vanommeslaeghe năm 2005 [201], nghiên cứu của Corminboeuf năm 2006 [50] và gần đây nhất là nghiên cứu của Gantt năm 2016 [68].
Các nghiên cứu này dựa vào cấu trúc tinh thể của protein tương tự HDAC ở người (HDLP) để nghiên cứu cơ chế xúc tác cho phản ứng deacetyl hóa của chúng. Trong cấu trúc vùng xúc tác của cả HDLP và HDAC8 đều đặc trưng bởi sự bao bọc ion Zn2+ bằng 2 dipeptid His131-Asp166 và His132-Asp173. Cơ chế xúc tác ban đầu được đề xuất cho HDLP và sau đó được chứng minh là đúng cho cả HDAC8 [185]. Do cấu trúc vị trí xúc tác của HDAC có sự tương đồng với các zinc protease và serin protease nên các nhà khoa học đã đề xuất cơ chế xúc tác của HDAC dựa trên cơ chế của các enzym này.
Bước đầu tiên, tương tự như các protease 4 luan an chứa kẽm, nhóm carbonyl của N-acetyl amid của cơ chất được acetyl hóa tương tác với ion Zn2+ ở vị trí xúc tác, làm cho liên kết C=O phân cực do đó làm tăng tính ái điện tử của C nhóm carbonyl. Ngoài ra, phân tử nước được phối trí với ion Zn2+ [67], [185]. Quá trình tấn công ái nhân từ phân tử nước phối trí với Zn2+ vào carbonyl được tạo điều kiện thuận lợi bởi sự tương tác với cặp acid amin histidin-aspartat His142- Asp176 theo cách tương tự như ở serin protease. Sau quá trình này, hợp chất trung gian carbon tứ diện được hình thành và được ổn định bằng cả Tyr306 và liên kết phối trí với ion Zn2+.
Cuối cùng, liên kết C-N bị bẻ gãy và quá trình này được hỗ trợ bởi dipeptid thứ hai His143-Asp183. Cặp acid amin này còn giúp chuyển một proton lên nguyên tử N, tạo thành chức amin của sản phẩm [44], [68], [225]. Cho đến nay, các mô hình khác nhau của cơ chế xúc tác được đề xuất cho HDAC8 do isoform này dễ thao tác in vitro và trở thành một đối tượng cho nghiên cứu về HDAC xúc tác phụ thuộc Zn2+. Các mô hình này khác nhau chủ yếu ở vai trò của hai cặp His- Asp trong quá trình xúc tác acid/base [44], [68], [225].
Gần đây, Gantt và cộng sự đã đưa ra cơ chế xúc tác của HDAC dựa vào các nghiên cứu về enzym và cấu trúc tinh thể của enzym đột biến ở các điểm khác nhau ở các cặp acid amin (hình 1. Cơ chế xúc tác của HDAC8 trong nghiên cứu của Gantt 5 luan an Trong cơ chế này, His143-Asp183 (đánh số theo HDAC8) có vai trò như một chất xúc tác acid/base, trong khi vai trò của His142-Asp176 (đánh số theo HDAC8) vẫn chưa được xác định. Tác giả đưa ra giả thuyết rằng cặp acid amin thứ hai có tác dụng xúc tác tĩnh điện, giúp ổn định điện tích âm của chất trung gian tứ diện và điện tích của cặp His143-Asp183 (đánh số theo HDAC8) [68]. Cấu trúc trung tâm hoạt động enzym histon deacetylase Bằng phương pháp kết tinh tạo tinh thể và chụp tia X, người ta xác định được cấu trúc 3D của một số HDAC và các trung tâm hoạt động, xúc tác cho phản ứng deacetyl hóa của chúng.
Nhìn chung, các HDAC đều có cấu trúc trung tâm hoạt động tương tự nhau, bao gồm 2 phần chính là ion Zn2+ và kênh enzym: + Ion Zn2+ là coenzym của HDAC, nằm dưới đáy kênh enzym và cũng là thành phần tham gia liên kết mạnh nhất với phần đuôi histon qua liên kết phối trí. Trong phân tử HDAC, ion Zn2+ có thể tạo 4 liên kết phối trí với các acid amin và 1 liên kết phối trí với nguyên tử oxy của nhóm acetyl của acetyl lysin ở đầu N của histon từ đó xúc tác tách loại nhóm acetyl. Thường các chất ức chế HDAC liên kết càng mạnh với Zn2+ thì tác dụng ức chế HDAC và độc tính tế bào càng tăng [185]. Như acid hydroxamic, ức chế HDAC bằng cách tạo hai liên kết phối trí với Zn2+ qua 2 nguyên tử oxy của nó.
+ Kênh enzym có dạng túi hình ống hẹp, là nơi chứa cơ chất và tham gia liên kết Van der Waals với cơ chất, được cấu tạo bởi các acid amin thân dầu đặc biệt là các acid amin có nhân thơm như: Phe, Tyr, Pro, His. Nó có cấu trúc khá linh động có thể thay đổi kích thước để phù hợp với cơ chất. Miệng túi có một vài vòng xoắn protein để tương tác với nhóm nhận diện bề mặt của HDACi.