ĐẶT VẤN ĐỀ Theo dữ liệu thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), vào năm 2022 ước tính có khoảng 20 triệu ca ung thư mới và 9,7 triệu ca tử vong, dự đoán đến năm 2050 số ca tử vong sẽ tăng 90%, đạt hơn 18,5 triệu ca [23]. Từ đó có thể thấy gánh nặng ung thư toàn cầu đang ngày càng gia tăng nhanh chóng và việc tìm kiếm các phương pháp điều trị ung thư mới trở thành vấn đề cấp bách. Hai yếu tố quan trọng thúc đẩy sự hình thành, phát triển và di căn của các khối u là những đột biến gen làm gián đoạn trình tự ADN và các biến đổi biểu sinh gây thay đổi biểu hiện gen, đặc biệt là các gen gây ung thư và ức chế khối u. Trong khi các đột biến gen có đặc tính không thể đảo ngược, khả năng có thể đảo ngược của các biến đổi biểu sinh giúp chúng trở thành mục tiêu tiềm năng trong phát triển các liệu pháp điều trị ung thư mới [58].
Một trong những nhân tố chính tham gia vào các biến đổi biểu sinh là protein histon. Hiện nay, các enzym chịu trách nhiệm cho các quá trình biến đổi sau dịch mã trên histon đang trở thành các đích phân tử được nghiên cứu rộng rãi trong điều trị các khối u như EZH2, DOT1L, LSD1 và đặc biệt là HDAC với nhiều thuốc được FDA phê duyệt sử dụng trong lâm sàng nhất [20]. Đến nay, trong 4 thuốc ức chế HDAC được FDA phê duyệt cho điều trị nhiều loại ung thư khác nhau bao gồm vorinostat (2006), romidepsin (2009), belinostat (2014) và panobinostat (2015), có 3 chất thuộc nhóm các acid hydroxamic. Ngoài ra, một số HDACi khác thuộc nhóm các acid hydroxamic mang hợp phần benzamid cũng đang được nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng ở các pha khác nhau như givinostat [15], tubastatin A [11], nexturastat A [75].
Điều này cho thấy tiềm năng của các khung cấu trúc này trong nghiên cứu phát triển các HDACi mới. Bên cạnh đó, một hướng đi mới hiện nay trong thiết kế tổng hợp các HDACi là thêm vào cấu trúc các hợp phần có hoạt tính sinh học để tăng hiệu quả. Cấu trúc quinazolin-4(3H)-on và vòng 1,2,3-triazol đã được chứng minh có các tác dụng như kháng khuẩn, chống viêm, kháng HIV và đặc biệt là hoạt tính kháng ung thư [2], [29]. Từ cơ sở của các nghiên cứu trên, đề tài “Tổng hợp và đánh giá tác dụng kháng ung thư của một số dẫn chất N-hydroxybenzamid mới mang khung 4- oxoquinazolin” được thực hiện với hai mục tiêu: 1.
Tổng hợp được 6 dẫn chất N-hydroxybenzamid mới mang khung 4- oxoquinazolin và dị vòng triazol hướng ức chế enzym histon deacetylase. Đánh giá tác dụng ức chế HDAC và tác dụng kháng một số tế bào ung thư của các dẫn chất tổng hợp được. Giới thiệu về enzym histon deacetylase Trong nhân tế bào người, các nucleosome cấu tạo lên nhiễm sắc thể được hình thành từ sợi ADN có độ dài khoảng 145 – 147 nucleotid quấn quanh lõi octamer histon bao gồm hai bản sao của mỗi loại protein histon: H2A, H2B, H3 và H4 [49]. Các nghiên cứu chỉ ra rằng các biến đổi sau dịch mã (PTM – Post-translational modification) trên histon làm thay đổi điện tích và cấu trúc các đầu tận cùng của protein, từ đó gây ra sự thay đổi mức độ tháo xoắn của chất nhiễm sắc và cuối cùng gây kích hoạt hoặc ức chế quá trình phiên mã trong tế bào [39], [90].
Các biến đổi này bao gồm acetyl hóa, methyl hóa, phosphoryl hóa, ubiquityl hóa, sumoyl hóa… trong đó quá trình acetyl hóa histon là một trong những biến đổi phổ biến nhất và đóng vai trò vô cùng quan trọng trong điều hòa biểu hiện gen [42]. Quá trình chuyển đổi giữa hai dạng acetyl hóa và deacetyl hóa của histon là một quá trình thuận nghịch và được xúc tác bởi hai loại enzym là histon acetyltransferase (HAT) và histon deacetylase (HDAC). Enzym HAT có vai trò chuyển nhóm acetyl từ acetyl coenzym A vào nhóm ε-amino của lysin tận cùng trong chuỗi protein histon và làm cho nhóm ε-amino của lysin mất điện tích dương. Điều này sẽ dẫn đến sự giảm tương tác giữa nhóm phosphat mang điện tích âm trên chuỗi ADN và protein histon, nhiễm sắc thể sẽ được tháo xoắn và tạo điều kiện cho quá trình phiên mã diễn ra [69].
Ngược lại, các enzym HDAC xúc tác cho quá trình loại bỏ nhóm acetyl, làm cho đầu N của histon tích điện dương nhiều hơn. Kết quả, histon tương tác mạnh với chuỗi ADN, nhiễm sắc thể cuộn xoắn gây ức chế quá trình phiên mã [71]. Vai trò của HDAC và HAT 2 Ngoài protein histon, các HDAC còn tham gia vào quá trình deacetyl hóa các protein mục tiêu khác bao gồm các yếu tố phiên mã như yếu tố ức chế khối u p53, họ Runx, yếu tố phiên mã GATA, NF-κB. Nhìn chung, quá trình acetyl hóa các yếu tố phiên mã này giúp hoạt hóa quá trình phiên mã.
Bên cạnh đó, các HDAC còn deacetyl hóa một số protein tham gia vào quá trình phát triển, biệt hóa và apoptosis của tế bào. Sự bất thường trong quá trình acetyl hóa và deacetyl các protein không histon này liên quan đến cơ chế của nhiều căn bệnh ung thư [30]. Phân loại Ở người, đến nay 18 loại enzym HDAC đã được phát hiện và được phân loại thành 2 họ và 4 nhóm dựa trên sự tương đồng cấu trúc với các HDAC của nấm men (Bảng 1. Phân loại các HDAC Protein Vị trí tương đồng ở Các loại Họ Nhóm Phân nhóm trong tế nấm men HDAC bào (S.
cerevisiae) HDAC1-3, Nhân tế Nhóm I Rpd3, Hos1-3 HDAC8 bào HDAC4-5, Nhân tế Phân nhóm IIa HDAC7, bào, tế Họ histon Nhóm II Hda1 HDAC9 bào chất deacetylase HDAC6, Tế bào Phân nhóm IIb HDAC10 chất Nhân tế Nhóm IV HDAC11 bào, tế bào chất Nhân tế bào, tế Họ Sir2 Nhóm III Sir2, Hst1-4 SIRT1-7 bào chất, ty thể Trong đó, các HDAC nhóm I, II, IV được coi là các HDAC kinh điển, có cơ chế xúc tác phụ thuộc vào ion Zn2+ và các enzym này bị ức chế bởi các chất có khả năng tạo phức chelat với ion Zn2+. Ngược lại, các HDAC nhóm III là các sirtuin có cơ chế hoạt động phụ thuộc coenzym NAD+ và không bị ức chế bởi các hợp chất trên [84]. Trong khóa luận này, định nghĩa các chất ức chế HDAC được sử dụng cho các chất có mục tiêu tác động là nhóm các HDAC kinh điển. Cấu trúc trung tâm hoạt động Mặc dù có cấu trúc đa dạng với số lượng các acid amin thay đổi từ 347 ở HDAC11 đến 1215 ở HDAC6, các HDAC phụ thuộc kẽm đều có vùng deacetylase được bảo tồn 3 [72].
Đến nay, cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X của hầu hết các HDAC đã được báo cáo, trừ HDAC 5, 9 và 11. Từ đó, cấu trúc trung tâm hoạt động các HDAC đã được xác định, nhìn chung gồm 2 phần: (1) Kênh enzym dạng hình túi dài và hẹp, gồm miệng túi, thân túi chứa cơ chất lysin ở dạng acetyl hóa của protein trong quá trình xúc tác và phần xúc tác trực tiếp loại nhóm acetat, (2) ion Zn2+ nằm ở cuối kênh enzym, tham gia trực tiếp vào quá trình loại nhóm acetyl [55], [73]. Chú thích: SP: side pocket, LP: lower pocket, FP: foot pocket A: HDAC2 người với phối tử vorinostat, PDB ID: 4LXZ B: HDAC8 Schistosoma mansoni với cơ chất TH65, PDB ID: 6HTH C: HDAC4 người với cơ chất là dẫn chất của acid cyclopropylhydroxamic, PDB ID: 4CBY D: HDAC2 người với cơ chất là dẫn chất của p-thienyl-anilinobenzamid, PDB ID: 4LY1 Hình 1. Cấu trúc trung tâm hoạt động của các HDAC [55] Bên cạnh đó, ngoài phần kênh enzym chính ở trên có mặt trong tất cả các HDAC, vùng xúc tác còn có thể có thêm các túi phụ như túi bên (side pocket), túi dưới (lower pocket) và túi chân (foot pocket).
Các túi phụ này có thể được mở hoặc đóng phụ thuộc vào phối tử liên kết và các loại HDAC khác nhau [55]. Ngoài miền xúc tác thứ nhất, ở các HDAC nhóm IIb còn tồn tại một miền xúc tác thứ hai có hoạt tính xúc tác hoặc không [31]. Cấu trúc trung tâm hoạt động của Y306F HDAC8 (PDB ID: 2V5W) [28] Vào năm 2004, cấu trúc tinh thể của enzym HDAC8 nằm trong phức hợp với các chất ức chế HDAC có cấu trúc acid hydroxamic đã được công bố [73], [79]. Trong đó, 4 bề mặt kênh enzym được cấu tạo từ một số acid amin kỵ nước như Phe, His, Tyr, Gly, Met có vai trò tạo liên kết van der Waals với cơ chất.
Ngoài ra, trong lòng kênh còn chứa một số phân tử nước tham gia vào quá trình deacetyl hóa của enzym. Khi enzym xúc tác, ion Zn2+ có thể tạo 3 liên kết phối trí với các acid amin (2 Asp và 1 His), 1 liên kết phối trí với nhóm acetyl của lysin đầu N đã được acetyl hóa của protein histon và 1 liên kết phối trí với 1 phân tử nước. Khi tương tác với các chất ức chế, 2 liên kết phối trí với nhóm acetyl và với nước sẽ được thay thế bởi các liên kết với vùng gắn kẽm của chất ức chế. Việc nghiên cứu đầy đủ các đặc điểm cấu trúc trung tâm hoạt động của các HDAC góp phần giúp làm rõ cơ chế tác dụng của các chất ức chế đã biết cũng như tìm kiếm được các hợp chất tiềm năng có hoạt tính ức chế HDAC mới.
Đồng thời dựa trên hiểu biết về sự khác biệt trong đặc điểm cấu trúc trung tâm hoạt động của các HDAC, các chất ức chế chọn lọc đã được thiết kế giúp tăng hoạt tính và giảm các tác dụng không mong muốn. Cơ chế xúc tác Một số cơ chế deacetyl hóa tại trung tâm hoạt động của HDLP (histon deacetylase- like protein) đã được đề xuất bởi các nhóm nghiên cứu của Finnin [24], Vanommeslaeghe [80] và Corminboeuf [17]. Quá trình deaetyl hóa acetyl lysin đầu N của HDLP được thực hiện với sự tham gia của ion Zn2+ và một số acid amin ở đáy kênh enzym như Asp258, Asp168, His170, Tyr297, cặp His131-Asp166, cặp His132- Asp173, trong đó Zn2+ luôn tạo phức với 5 liên kết phối trí. Những năm tiếp theo, nhờ những hiểu biết về cấu trúc trung tâm hoạt động, cơ chế xúc tác của HDAC8 được đề xuất và dần hoàn thiện [27], [28].
Nghiên cứu trên HDAC8 thể đột biến tại vị trí một số acid amin của Gantt và cộng sự cho thấy cặp His143-Asp183 đóng vai trò đồng xúc tác acid/base cho quá trình deacetyl. Trong khi đó, cặp His142- Asp176 được đề xuất có vai trò tạo tương tác tĩnh điện giữa nhóm imidazol tích điện dương của His142 và trạng thái chuyển tiếp mang điện tích âm từ đó giúp ổn định hệ. Ngoài ra, His142 còn giúp ổn định phân tử nước liên kết với ion kẽm.