ĐẶT VẤN ĐỀ Thiết kế cấu trúc dựa trên mục tiêu phân tử đang trở thành hướng đi chủ yếu trong nghiên cứu thuốc điều trị ung thư. Trong số các mục tiêu phân tử tiềm năng, enzym histon deacetylase (HDAC) thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học do chúng có vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình hình thành và phát triển tế bào ung thư. Nhiều hợp chất mới đã được phát hiện và nghiên cứu hoạt tính ức chế HDAC, trong đó nổi bật nhất là nhóm các dẫn xuất của acid hydroxamic, với bốn thuốc đã được cấp phép điều trị gồm vorinostat, belinostat, panobinostat và givinostat. Các dẫn chất hydroxamic có chung cấu trúc khung, bao gồm ba phần: (1) nhóm acid hydroxamic gắn kết với ion kẽm tại trung tâm hoạt động của các enzym HDAC, (2) cầu nối là mạch hydrocarbon thân dầu, và (3) nhóm nhận diện bề mặt là nhân phenyl và/ hoặc dị vòng, gắn với cầu nối qua liên kết amid hoặc amin, có khả năng tương tác với các acid amin tại bề mặt của enzym.
Các kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy phần nhận diện bề mặt là các cấu trúc dị vòng thơm giàu electron như benzothiazol, arylthiadiazol, indolin, oxoindolin,. có tiềm năng mang lại hiệu quả ức chế HDAC và độc tính cao đối với tế bào ung thư. Quinazolin là một cấu trúc dị vòng như vậy. Khung quinazolin có đặc điểm giàu điện tử, rất phù hợp với vai trò là nhóm nhận diện bề mặt.
Nó có mặt trong nhiều hợp chất mang hoạt tính sinh học đa dạng, như ức chế vi nấm (albaconazol), virus (luotonin A), kháng ung thư (raltitrexed) và chống viêm (rutaecarpin). Cấu trúc này đã được ứng dụng trong thiết kế kháng sinh mới, các thuốc chống viêm, giảm đau, thuốc tác động lên hệ thần kinh hoặc tế bào ung thư. Nhiều dẫn chất quinazolin đã được chứng minh là có tác dụng kháng tế bào ung thư theo các cơ chế khác nhau thông qua ức chế tổng hợp thymidylat, hệ enzym chỉnh sửa ADN, thụ thể yếu tố tăng trưởng biểu bì, tubulin polymerase hay tyrosin kinase. Tuy nhiên, hiện chưa có nhiều nghiên cứu khai thác khung quinazolin trong thiết kế chất ức chế HDAC mới.
Từ những phân tích nêu trên, luận án “Thiết kế và tổng hợp các acid hydroxamic mang khung quinazolin hướng tác dụng kháng tế bào ung thư” đã được thực hiện với hai mục tiêu chính như sau: (1) Thiết kế và tổng hợp được khoảng 50 acid hydroxamic mới mang khung quinazolin hướng ức chế enzym HDAC và tác dụng kháng tế bào ung thư. (2) Đánh giá tác dụng ức chế enzym HDAC và tác dụng kháng tế bào ung thư của các chất tổng hợp được. HISTON DEACETYLASE VÀ CÁC CHẤT ỨC CHẾ HISTON DEACETYLASE Các quá trình biệt hóa tế bào ung thư được điều hòa bởi trạng thái acetyl hóa của histon, thông qua hai nhóm enzym có vai trò đối ngược nhau là các histon deacetylase (HDAC) và histon acetyltransferase (HAT). HDAC là một nhóm các enzym xúc tác quá trình loại bỏ nhóm acetyl từ -N-acetyl lysin của phần histon có trong nucleosom.
HDAC được xem là một trong những đích tác dụng phân tử được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất trong những năm gần đây. Trong phần này, thông tin về HDAC và các chất ức chế HDAC sẽ được hệ thống hóa, trong đó chủ yếu đề cập đến các HDAC nhóm I, HDAC6 và các chất ức chế chọn lọc các mục tiêu phân tử này. Histon deacetylase và vai trò đối với ung thư 1. Cấu trúc, phân loại Các HDAC ở người được xác định có 18 loại và chia thành bốn nhóm, gồm có: nhóm I (HDAC1, 2, 3 và 8), nhóm IIa (HDAC4, 5, 7, 9), nhóm IIb (HDAC6, 10), nhóm III (SIRT1-7), và nhóm IV (HDAC11).
Việc phân loại các HDAC dựa vào cấu trúc của vùng xúc tác, các cofactor và sự tương đồng của chúng với cấu trúc HDAC của nấm men. Các HDAC có độ dài chuỗi acid amin không giống nhau, từ 347 đến 1215 acid amin, nhưng đều mang vùng xúc tác tương đồng và được bảo tồn cao, riêng HDAC6 có hai vùng xúc tác. Các HDAC nhóm I, II và IV đều có cơ chế hoạt động phụ thuộc vào ion kẽm ở vị trí trung tâm xúc tác của enzym, do đó có thể bị ức chế bởi các hợp chất tạo chelat với ion kẽm như acid hydroxamic. Các HDAC nhóm III là các protein điều hòa chuỗi thông tin (sirtuin), có hoạt động phụ thuộc vào NAD+.
Vị trí phân bố trong tế bào của các HDAC cũng không giống nhau. Các HDAC nhóm I và IV có trong nhân của nhiều loại tế bào, các HDAC phân nhóm IIa có ở cả nhân và bào tương, phân nhóm IIb có chủ yếu ở bào tương nhưng có khả năng di chuyển giữa nhân và bào tương, các sirtuin (HDAC nhóm III) được tìm thấy ở ti thể, nhân và bào tương [144], [174]. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X giúp xác định cấu trúc vi tinh thể của các HDAC. Cấu trúc vi tinh thể kết tinh (có hoặc không kèm với các chất ức chế liên quan) của các enzym HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC4, HDAC6, HDAC7, HDAC8 và HDAC10 đã được công bố trên Ngân hàng dữ liệu protein (PDB).1 minh họa cấu trúc vi tinh thể protein của các HDAC nhóm I và HDAC6 [98].
Cấu trúc vi tinh thể của các HDAC nhóm I và HDAC6 [100]. So sánh cấu trúc của các HDAC nhóm I cho thấy cả 4 enzym đều mang cấu trúc chuỗi polypeptid đóng xoắn gần như giống hệt nhau với vùng hoạt động dạng ống có kích thước khoảng 25 Å. HDAC2 phần đuôi acid amin không tương đồng với HDAC1, HDAC3 và đặc biệt là HDAC8. Trung tâm hoạt động của HDAC8 có các vòng xoắn ngắn hơn, đồng thời các acid amin ở phần miệng túi enzym khác với các HDAC trong nhóm I (hình 1.
Sự khác biệt này dẫn đến cơ chế hoạt động khác nhau của các enzym, HDAC8 hoạt động độc lập, trong khi các HDAC1-3 hoạt động xúc tác thông qua phức hợp HDAC1/2 hoặc các phức hợp HDAC với protein như Sin3, NuRD, CoREST và MIDAC [98], [101]. Thuộc phân nhóm IIb, HDAC6 là isozym duy nhất mang hai vùng xúc tác (catalylic domain – CD1 và CD2). Điểm đặc trưng của HDAC6 là hai vùng xúc tác này đều có trung tâm hoạt động rộng hơn và nông hơn so với các HDAC khác [52]. Đặc tính hoạt động enzym Từng cặp protein histon H2A, H2B, H3 và H4 tạo nên lõi octomer hình đĩa và được quấn chặt bởi chuỗi ADN tạo nên nucleosom, cấu trúc cơ bản của nhiễm sắc thể.
Sự linh hoạt của các sợi nhiễm sắc thể được thể hiện ở cấu trúc chuỗi hạt đóng xoắn có đường kính khoảng 30 nm, chuỗi hạt này có thể bị tháo xoắn. Phần đuôi chứa amin của các histon H3 và H4 là nơi diễn ra một vài quá trình biến đổi sau phiên mã, các quá trình này có thể ảnh hưởng khác nhau đến hoạt động của các yếu tố điều hòa phiên mã trên các chuỗi ADN xác định. Một trong những quá trình biến đổi sau phiên mã của histon quan trọng nhất là acetyl hóa lysin của H3 và H4. Acetyl hóa lysin là sự biến đổi phiên mã ngược xảy ra ở vùng cấu trúc được bảo tồn cao ở phần đuôi chứa N của histon, khiến chuỗi hạt nhiễm sắc thể bị tháo xoắn, đối lập với xu hướng đóng xoắn để tạo cấu trúc nén chặt của sợi nhiễm sắc [101].
Sự acetyl hóa histon được điều hòa cân bằng bởi hoạt động của hai nhóm enzym đối kháng là các histon deacetylase (HDAC) và các histon acetyltransferase (HAT). Các HAT xúc tác phản ứng acetyl hóa các lysin xác định ở phần đuôi N của histon, từ đó làm giảm ái lực liên kết của histon với các nhiễm sắc thể ADN, nhiễm sắc thể bị tháo xoắn và thúc đẩy quá trình phiên mã. Ngược lại, các HDAC thúc đẩy việc loại bỏ nhóm acetyl ra khỏi các histon lysin, tăng cường sự đóng xoắn nhiễm sắc thể và ngăn cản quá trình phiên mã. Các HDAC không có khả năng gắn kết trực tiếp với chuỗi ADN để định vị gen đặc trưng mà phải thông qua tương tác vật lý với các chất ức chế phiên mã đặc hiệu tại đích hoặc liên kết với chúng để tạo phức hợp phiên mã có cấu trúc đa protein kích thước lớn [101].
Finnin là người đầu tiên nghiên cứu chi tiết tương tác giữa chất ức chế HDAC và enzym HDAC, trong đó sử dụng HDLP (Histone Deacetylase-Like Protein), một chất đồng đẳng của HDAC được phân lập từ vi khuẩn Aquifex aeolicus [40]. HDLP có vùng acid amin tương đồng với HDAC8, cơ chế xúc tác phản ứng thủy phân acetyl-lysin của HDAC8 được minh họa trên hình 1. Phản ứng cần một ion kẽm trong vai trò cofactor: ion này được cố định bằng liên kết phối trí với 3 acid amin (Asp293, Asp195 và His197) và có vai trò ổn định acetyl-lysin nằm trong vùng xúc tác của enzym. Trước tiên, nguyên tử oxy trong nhóm carbonyl của phần N-acetyl lysin ở phần đuôi chứa N của histon liên kết phối trí với Zn2+, làm nhóm carbonyl phân cực về phía oxy, carbon trở nên ái điện tử hơn và dễ dàng bị tấn công bởi oxy của một phân tử nước (ái nhân hơn sau khi được hoạt hóa bởi His).
Cuối cùng, sự tham gia của Tyr345 giúp bẻ gẫy liên kết C-N để tạo ra acetyl và lysin [109]. Cơ chế xúc tác phản ứng thủy phân acetyl-lysin của HDAC [109]. Các acid amin trong vùng xúc tác được bảo tồn cao ở các HDAC và các loài khác nhau, vì vậy các HDAC đều có hoạt động xúc tác enzym theo cơ chế này nhưng với mức độ khác nhau, trong đó các HDAC nhóm I có hoạt tính enzym mạnh nhất, các HDAC nhóm khác có hoạt tính enzym thay đổi tùy từng cơ chất [129]. Các HDAC nhóm I có nhiều ở trong nhân tế bào, có thể deacetyl hóa cả bốn loại histon và điều hòa sự ảnh hưởng gen đối với phiên mã [129].
Các HDAC nhóm I cũng deacetyl hóa một vài tác nhân phiên mã là protein không có cấu trúc histon như p53, E2F1, YY1, PCNA (proliferating cell nuclear antigen), LSD1 (Lysine demethylase 1), EERα, SMC3, … [101]. Các HDAC phân nhóm IIb có mặt chủ yếu ở bào tương của tế bào động vật có vú, vì vậy đích tác dụng chính của nhóm này là các protein không có cấu trúc histon. HDAC6 có hai vùng xúc tác CD1, CD2 và một đuôi C liên kết với ion kẽm, cấu trúc này giúp enzym có ái lực liên kết mạnh với ubiquitin tự do hoặc các protein đã polyubiquitin hóa [20]. Những nghiên cứu mới nhất cho thấy hai vùng xúc tác của HDAC6 đều có hoạt tính enzym với vai trò khác nhau trên cơ chất, trong đó CD2 thể hiện hoạt tính trên tất cả các acetyl-lysin, CD1 chỉ thể hiện hoạt tính đối với các cơ chất acetyl-lysin chứa đuôi C [46].
