Phạm thị kim anh xây dựng ứng dụng mô hình học máy kết hợp với docking trong thiết kế một số chất ức chế histon deacetylase 2 mới

Nghiên cứu ứng dụng mô hình học máy và docking trong thiết kế chất ức chế histon deacetylase 2 mới, mở ra hướng đi mới trong điều trị.

• Tác giả: Phạm Thị Kim Anh
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thị Mai Dung
• Trường học: Trường Đại Học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược sĩ
• Đề tài: Xây Dựng, Ứng Dụng Mô Hình Học Máy Kết Hợp Với Docking Trong Thiết Kế Một Số Chất Ức Chế Histon Deacetylase 2 Mới
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Giới thiệu về histon deacetylase 2
• 1.2. Enzym histon deacetylase
• 1.3. Cơ chế xúc tác của các enzym HDAC phụ thuộc kẽm
• 1.4. Các chất ức chế histon deacetylase
• 1.5. Enzym histon deacetylase 2
• 1.6. Chất ức chế histon deacetylase 2
• 1.7. Học máy và ứng dụng trong tìm kiếm thuốc mới
• 1.7.1. Giới thiệu về học máy
• 1.7.2. Một số thuật toán học máy có giám sát
• 1.7.3. Các thông số đánh giá hiệu suất của mô hình
• 1.7.4. Xu hướng ứng dụng học máy trong phát triển thuốc mới
• 1.8. Bộ mô tả dấu vân tay (fingerprint descriptors)
• 1.9. Mô phỏng tương tác phân tử (molecular docking)
• 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu, thiết bị
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Thu thập và tiền xử lý dữ liệu
• 2.3.2. Chia tập dữ liệu huấn luyện, đánh giá và kiểm tra
• 2.3.3. Huấn luyện và đánh giá mô hình
• 2.3.4. Sàng lọc ảo
• 2.3.5. Docking phân tử
• 2.3.6. Thiết kế cấu trúc mới
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu
• 3.1.1. Thu thập và tiền xử lý dữ liệu
• 3.1.2. Chia tập dữ liệu huấn luyện, đánh giá và kiểm tra
• 3.1.3. Huấn luyện và đánh giá mô hình
• 3.1.4. Sàng lọc ảo
• 3.1.5. Docking phân tử
• 3.1.6. Thiết kế cấu trúc mới
• 3.2. Tính mới của đề tài
• 3.3. Ưu điểm của phương pháp nghiên cứu
• 3.4. Hạn chế của phương pháp nghiên cứu
• 3.5. Một số khó khăn gặp phải khi thực hiện đề tài
• 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• 5. DANH MỤC CÁC BẢNG
• 6. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• 7. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Ứng Dụng Học Máy và Docking

Nghiên cứu ứng dụng học máy và docking trong thiết kế chất ức chế histon deacetylase 2 (HDAC2) đang trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực dược phẩm. HDAC2 là một enzym có vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu sinh và liên quan đến nhiều loại bệnh ung thư. Việc áp dụng các phương pháp học máy giúp tăng tốc độ và hiệu quả trong việc phát hiện và thiết kế các chất ức chế mới. Sự kết hợp giữa học máy và docking phân tử mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển thuốc điều trị hiệu quả hơn.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của HDAC2

HDAC2 đã được phát hiện từ những năm 1990 và nhanh chóng trở thành mục tiêu nghiên cứu chính trong điều trị ung thư. Sự biểu hiện quá mức của HDAC2 đã được ghi nhận trong nhiều loại ung thư, bao gồm ung thư vú và phổi. Nghiên cứu về HDAC2 không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế bệnh lý mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển thuốc.

1.2. Tầm quan trọng của học máy trong nghiên cứu dược phẩm

Học máy đã chứng minh được khả năng của mình trong việc phân tích dữ liệu sinh học phức tạp. Các thuật toán học máy có thể giúp dự đoán hoạt tính sinh học của các hợp chất mới, từ đó rút ngắn thời gian phát triển thuốc. Việc áp dụng học máy trong thiết kế thuốc không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao độ chính xác trong việc tìm kiếm các chất ức chế HDAC2.

II. Thách thức trong Nghiên Cứu Chất Ức Chế HDAC2

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu chất ức chế histon deacetylase, vẫn tồn tại nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là tính chọn lọc của các chất ức chế. Nhiều chất ức chế hiện tại không chỉ tác động lên HDAC2 mà còn lên các enzym khác, dẫn đến tác dụng phụ không mong muốn. Việc phát triển các chất ức chế có tính chọn lọc cao là một yêu cầu cấp thiết trong nghiên cứu dược phẩm.

2.1. Vấn đề về tính chọn lọc của chất ức chế

Nhiều chất ức chế HDAC hiện tại có khả năng ức chế đồng thời nhiều loại HDAC khác nhau, gây ra các tác dụng phụ nghiêm trọng. Điều này làm giảm hiệu quả điều trị và tăng nguy cơ gặp phải các tác dụng không mong muốn. Do đó, việc phát triển các chất ức chế có tính chọn lọc cao là rất cần thiết.

2.2. Chi phí và thời gian trong phát triển thuốc

Quá trình phát triển thuốc truyền thống thường tốn kém và kéo dài. Việc áp dụng các phương pháp như học máy và docking có thể giúp giảm thiểu thời gian và chi phí, nhưng vẫn cần phải giải quyết các vấn đề về độ chính xác và tính khả thi của các mô hình dự đoán.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Học Máy và Docking

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa học máy và docking phân tử đã được áp dụng để thiết kế các chất ức chế HDAC2 mới. Học máy giúp phân tích và dự đoán hoạt tính của các hợp chất, trong khi docking cho phép mô phỏng tương tác giữa các hợp chất và enzym HDAC2. Sự kết hợp này không chỉ tăng cường khả năng phát hiện các chất ức chế tiềm năng mà còn giúp tối ưu hóa cấu trúc của chúng.

3.1. Các thuật toán học máy phổ biến trong nghiên cứu

Một số thuật toán học máy như Random Forest, Support Vector Machine (SVM) và XGBoost đã được sử dụng để phân tích dữ liệu và dự đoán hoạt tính của các hợp chất. Những thuật toán này cho phép xây dựng các mô hình chính xác và hiệu quả trong việc sàng lọc các chất ức chế HDAC2.

3.2. Quy trình docking phân tử trong thiết kế thuốc

Quy trình docking phân tử bao gồm việc mô phỏng tương tác giữa các hợp chất và enzym HDAC2. Các phần mềm docking như AutoDock và Vina được sử dụng để dự đoán năng lượng liên kết và cấu trúc tối ưu của các hợp chất. Điều này giúp xác định các chất ức chế có khả năng liên kết tốt nhất với HDAC2.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả từ nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp học máy và docking đã mang lại những thành công đáng kể trong việc phát hiện và thiết kế các chất ức chế HDAC2 mới. Nhiều hợp chất tiềm năng đã được xác định và đang trong quá trình thử nghiệm lâm sàng. Những kết quả này không chỉ mở ra hướng đi mới trong điều trị ung thư mà còn góp phần nâng cao hiệu quả điều trị cho bệnh nhân.

4.1. Các hợp chất mới được phát hiện

Nghiên cứu đã phát hiện ra nhiều hợp chất mới có khả năng ức chế HDAC2 với hiệu quả cao. Những hợp chất này đã được thử nghiệm và cho thấy tiềm năng trong việc điều trị các loại ung thư phổ biến. Việc phát hiện này mở ra cơ hội mới cho việc phát triển thuốc điều trị hiệu quả hơn.

4.2. Ứng dụng trong điều trị ung thư

Các chất ức chế HDAC2 mới không chỉ giúp cải thiện hiệu quả điều trị mà còn giảm thiểu tác dụng phụ. Việc áp dụng các chất này trong lâm sàng có thể mang lại hy vọng mới cho bệnh nhân ung thư, đặc biệt là những người mắc các loại ung thư khó điều trị.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu

Nghiên cứu ứng dụng học máy và docking trong thiết kế chất ức chế HDAC2 đã chứng minh được tiềm năng to lớn trong việc phát triển thuốc mới. Sự kết hợp này không chỉ giúp tăng tốc độ phát hiện các chất ức chế mà còn nâng cao độ chính xác trong thiết kế thuốc. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong điều trị ung thư.

5.1. Hướng đi mới trong nghiên cứu dược phẩm

Sự phát triển của công nghệ học máy và docking sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu dược phẩm. Các nhà nghiên cứu có thể áp dụng những công nghệ này để phát hiện và thiết kế các chất ức chế mới, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị cho bệnh nhân.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu liên ngành

Nghiên cứu về HDAC2 và ứng dụng học máy trong thiết kế thuốc cần sự hợp tác chặt chẽ giữa các lĩnh vực như sinh học, hóa học và công nghệ thông tin. Sự kết hợp này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình phát triển thuốc và nâng cao hiệu quả điều trị cho bệnh nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Histon deacetylase (HDAC) là một họ enzym có vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu sinh. Các enzym này loại bỏ nhóm acetyl khỏi protein histon, dẫn đến cấu trúc nhiễm sắc thể đặc hơn và cuối cùng ức sự chế biểu hiện gen [22]. Các enzym HDAC tham gia vào nhiều quá trình sinh học, bao gồm sửa đổi sau dịch mã, phiên mã gen, tạo ra các tác động đến sức khỏe và bệnh tật của con người [29]. Cho đến nay, 18 loại HDAC ở người đã được khám phá và được chia thành bốn nhóm.

Mỗi loại HDAC có sự khác biệt về trình tự, vị trí biểu hiện và chức năng, vì vậy, sự tăng biểu hiện của mỗi loại HDAC cũng liên quan đến các loại bệnh khác nhau [22]. Các chất ức chế HDAC hiện nay chủ yếu ức chế đồng thời nhiều loại HDAC gây ra một số tác dụng không mong muốn như mệt mỏi, giảm tiểu cầu và vấn đề tiêu hóa. Vì vậy, nghiên cứu thuốc mới có tác dụng chọn lọc trên đích phân tử được cho là giải pháp nhằm cải thiện vấn đề này [38]. Histon deacetylase 2 (HDAC2) là một enzym HDAC nhóm I.

Sự biểu hiện quá mức của HDAC2 đã được quan sát thấy ở nhiều bệnh ung thư, chẳng hạn như ung thư phổi, vú, đại trực tràng, tuyến tiền liệt và dạ dày [1], [2], [30]. Đây là những bệnh ung thư có số ca mắc mới cao nhất (với tổng số hơn 9 triệu người mắc mới trên thế giới vào năm 2022) và tỷ lệ tử vong do các bệnh này cũng thuộc nhóm cao theo thống kê ung thư toàn cầu mới nhất của Hiệp hội Ung thư Hoa Kỳ [5]. Do đó, nhắm mục tiêu HDAC2 bằng các chất ức chế là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn, vừa giúp tăng hiệu quả điều trị cho các bệnh ung thư phổ biến này, vừa giúp giảm độc tính đối với người sử dụng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu thuốc mới là một quá trình tốn kém về thời gian và chi phí.

Nhờ sự tiến bộ của sinh học cấu trúc và sự tăng trưởng theo cấp số nhân về sức mạnh tính toán, giúp thực hiện các mô phỏng phức tạp trong thời gian tương đối ngắn, các phương pháp thiết kế thuốc có sự hỗ trợ của máy tính (Computer - Aided Drug Design) ngày càng đóng vai trò to lớn trong việc đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc mới [46]. Dựa vào những cơ sở trên, đề tài “Xây dựng, ứng dụng mô hình học máy kết hợp với docking trong thiết kế một số chất ức chế histon deacetylase 2 mới” được thực hiện với hai mục tiêu chính: 1. Xây dựng mô hình học máy để sàng lọc và dự đoán các hợp chất có khả năng ức chế enzym histon deacetylase 2. Sử dụng phương pháp docking phân tử để thiết kế một số cấu trúc mới có tiềm năng ức chế enzym histon deacetylase 2.

Giới thiệu về histon deacetylase 2 1. Enzym histon deacetylase Histon là một nhóm các protein đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và chức năng của chromatin hay chất nhiễm sắc - vật liệu di truyền của tế bào nhân thực. Đơn vị cơ bản cấu thành chất nhiễm sắc là nucleosom, trong đó một octamer lõi gồm các dimer của bốn protein histon (H2A, H2B, H3 và H4 và/hoặc các dạng đồng phân biến thể của các protein histon này) được bao bọc bởi một đoạn ADN xoắn kép [31]. Các histon lõi có hai miền cấu trúc, miền gấp histon tương tác với ADN thông qua các gốc tích điện dương và miền đầu N nhô ra từ lõi của nucleosom [7].

Những phần nhô ra này giàu các gốc lysin và arginin, được biến đổi nhiều nhất sau dịch mã (PTM), chẳng hạn như acetyl hóa, methyl hóa và phosphoryl hóa [1]. Acetyl hóa là một trong những biến đổi histon quan trọng quyết định cấu trúc chất nhiễm sắc và hoạt động phiên mã. Quá trình acetyl hóa histon thuận nghịch được điều chỉnh bởi hai loại enzym có hoạt tính đối lập là histon acetyltransferase (HAT) và histon deacetylase (HDAC). Enzyme HAT xúc tác quá trình bổ sung nhóm acetyl vào nhóm ε- amino lysin trên đầu histon, làm trung hòa điện tích dương ở các gốc lysin này, do đó làm suy yếu tương tác tĩnh điện giữa ADN tích điện âm và histon.

Nhờ cơ chế này, HAT và quá trình acetyl hóa histon làm nới lỏng cấu trúc nucleosom, thúc đẩy khả năng tiếp cận của các yếu tố phiên mã, dẫn tới hoạt hóa phiên mã. Ngược lại, enzym HDAC xúc tác loại bỏ nhóm acetyl tích điện âm khỏi lysin histon, vì thế tăng ái lực của histon với ADN, khiến chất nhiễm sắc cô đặc hơn và khả năng phiên mã thấp hơn. Như vậy, HDAC và quá trình khử acetyl histon có liên quan đến ức chế biểu hiện gen [18], [22]. Quá trình acetyl hóa và khử acetyl tương ứng được xúc tác bởi enzym HAT và enzym HDAC [18].

Mặt khác, nhóm ε-amino lysin có xu hướng xảy ra nhiều biến đổi sau dịch mã (PTM) khác nhau nên việc đưa vào một nhóm acetyl có thể loại trừ một số biến đổi khác, giúp protein ổn định hơn. Trái lại, việc loại bỏ nhóm acetyl tạo điều kiện cho nhiều PTM tiềm năng trên ε-amino lysin, nhờ đó HDAC gián tiếp đẩy nhanh quá trình thoái hóa protein [29]. 2 Ngoài ra, HDAC cũng tác động lên các cơ chế phân tử khác, bao gồm các quá trình trao đổi chất và chuyển hóa ADN, bằng cách loại bỏ các nhóm acetyl khỏi cả protein histon và không chứa histon [22]. Ở người, có 18 loại HDAC đã được xác định và được chia thành bốn nhóm dựa trên sự tương đồng về trình tự so với HDAC ở nấm men Saccharomyces cerevisiae [1], [22], [29]: - Nhóm I: Các HDAC có trình tự tương tự với protein Rpd3, bao gồm HDAC1, HDAC2, HDAC3 và HDAC8.

- Nhóm II: Các HDAC có trình tự tương tự với protein Hda1, được chia thành hai phân nhóm dựa trên phân tích trình tự: + Phân nhóm IIa: bao gồm HDAC4, HDAC5, HDAC7 và HDAC9. + Phân nhóm IIb: bao gồm HDAC6 và HDAC10. - Nhóm III: Các HDAC có trình tự tương tự với protein Sir2 (các sirtuin), bao gồm SIRT1-7. - Nhóm IV: HDAC có trình tự tương tự với cả protein Rpd3 và Hda1, chỉ gồm HDAC11.

Các HDAC nhóm I, II và IV (còn gọi là HDAC “kinh điển”) là các enzym phụ thuộc ion kẽm (Zn2+), có cơ chế xúc tác khác với HDAC nhóm III là enzym phụ thuộc nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) [29]. Cơ chế xúc tác của các enzym HDAC phụ thuộc kẽm Hình 1. Cơ chế xúc tác của các enzym phụ thuộc kẽm [29]. Chú thích: (A) Mô hình được đề xuất từ cấu trúc HDLP.

(B) Mô hình được đề xuất từ cấu trúc HDAC8. Tương tác liên kết hydro được biểu diễn bằng các đường nét đứt. Các acid amin H: histidin; Y: tyrosin; D: acid aspartic. Các con số biểu thị vị trí acid amin tương ứng trong protein.

3 Hai mô hình về cơ chế xúc tác của các enzym HDAC phụ thuộc Zn dựa trên cấu trúc protein tương tự HDAC ở người (HDLP) và cấu trúc HDAC8 đã được đề xuất (Hình 1. Nhìn chung, hai mô hình này tương tự nhau. Miền xúc tác của enzym bao gồm một túi hình ống, một vị trí gắn kẽm và bộ ba xúc tác gồm một tyrosin và hai histidin tạo liên kết hydro với hai acid aspartic. Một trong hai histidin xúc tác tạo điều kiện thuận lợi cho sự tấn công ái nhân vào cơ chất carbonyl bằng cách kích hoạt một phân tử nước phối trí với ion kẽm.

Amino acid tyrosin bên cạnh kẽm, đối diện với cặp acid amin His-Asp giúp ổn định hợp chất trung gian tứ diện được hình thành. Cả kẽm và tyrosin đều tham gia phân cực carbonyl cơ chất để tấn công ái nhân. Hai histidin được đề xuất hoạt động như hệ thống chuyển tiếp điện tích His-Asp, điển hình của các serin protease như chymotrypsin và chymotrypsinogen trong phản ứng enzym [29], [33]. Các chất ức chế histon deacetylase Cơ chế chung của các chất ức chế HDAC (HDACi) phụ thuộc kẽm là chiếm vị trí hoạt động, từ đó ức chế cạnh tranh sự liên kết cơ chất với HDAC.

Do vậy, HDACi được thiết kế giống cấu trúc của acetyl-lysin và thường chứa ba vùng: vùng gắn kẽm (ZBG - zinc-binding group), vùng cầu nối kỵ nước (linker) và vùng nhận diện bề mặt (cap group). Cầu nối kỵ nước đưa ZBG vào vị trí hoạt động một cách hiệu quả bằng cách lấp đầy miền xúc tác, trong khi vùng nhận diện bề mặt ở đầu kia của cầu nối tiếp xúc với các gốc acid amin ở miệng của miền xúc tác [9], [19]. HDAC là một metallicoenzym, do đó quan trọng nhất đối với bất kỳ chất ức chế HDAC nào là tương tác chelat với ion kẽm (Zn2+) ở vị trí hoạt động, nói cách khác, ZBG chính là vùng quyết định hiệu lực của các HDACi. Cấu trúc các thuốc ức chế pan-HDAC được FDA phê duyệt.

Theo cấu trúc hóa học của vùng gắn kẽm, các chất ức chế pan-HDAC (ức chế HDAC không chọn lọc) có thể được phân thành các nhóm bao gồm acid hydroxamic, 4 benzamid, peptid vòng, acid carboxylic béo mạch ngắn, ceton và một số nhóm khác [3], [19], [38]. Trên lâm sàng, các chất thuộc nhóm acid hydroxamic, benzamid và peptid vòng đã được nghiên cứu trong nhiều năm, các chất được FDA công nhận là thuốc ức chế HDAC dùng để điều trị một số bệnh cụ thể cũng nằm trong ba nhóm này. - Acid hydroxamic: Acid hydroxamic là chất ức chế pan-HDAC phổ biến nhất, đại diện bởi vorinostat (suberoylanilide hydroxamic acid - SAHA), belinostat, pracinostat, panobinostat. Ở nhóm chất này, oxy carbonyl và oxy hydroxyl của hydroxamic liên kết với ion kẽm.

Do hiệu suất in vitro ổn định, khả năng hòa tan tốt và tổng hợp dễ dàng, acid hydroxamic thường được ưu tiên trong thiết kế các HDACi mới. Bằng cách sửa đổi vùng nhận diện bề mặt và vùng cầu nối, hiệu quả ức chế và tính chọn lọc của các acid hydroxamic được cải thiện. Tuy nhiên, khả năng liên kết kim loại quá cao khiến các chất này có thể tương tác với các enzym phụ thuộc kẽm khác như aminopeptidase, matrix metallicoproteinase và carbonic anhydrase, gây ra tính chọn lọc thấp, tác dụng không mong muốn và độc tính nghiêm trọng [19]. - Benzamid: So với acid hydroxamic, các benzamid như chidamid và entinostat cho thấy khả năng chọn lọc tốt hơn đối với HDAC nhóm I.

Trong cấu trúc của benzamid, nitơ amin và oxy amid liên kết với ion kẽm, nhưng có ái lực thấp hơn so với hydroxamic. Trong khi đó, các acid amin xung quanh ZBG và túi chân tạo thành mạng lưới liên kết hydro để ổn định liên kết với chất ức chế. Vòng benzamid cũng có thể sửa đổi nhắm vào túi chân của HDAC nhóm I. Tuy nhiên, hằng số tốc độ liên kết chậm hơn có thể là nguyên nhân gây ra tác dụng phụ của thuốc [19].