Nghiên cứu ảnh hưởng của đột biến lên cấu trúc và động học của chuỗi Peptide Amyloid Beta : Hướng đến ức chế bệnh Alzheimer

Abstract

Bệnh Alzheimer (AD) là một chứng suy giảm não bộ và là nguyên nhân chính gây sa sút trí tuệ ở con người. AD được cho là có liên quan đến việc suy giảm các neuron và khớp nối thần kinh trong não. Kể từ thời điểm phát hiện ra AD đến nay, nguyên nhân gây bệnh vẫn chưa được xác định một cách cụ thể. Tuy vậy, có ba giả thuyết chính thể hiện các nguyên nhân này đó là giả thuyết cholinergic, giả thuyết protein tau và giả thuyết amyloid. Trong đó, giả thuyết amyloid được nghiên cứu rộng rãi với lượng thông tin dữ liệu lớn nhất so với hai giả thuyết còn lại. Giả thuyết amyloid nhấn mạnh rằng sự tăng sinh của peptid amyloid beta (Aβ) dẫn tới tích tụ ngoại bào của Aβ trong não theo thời gian, kết quả hình thành nên các mảng amyloid gây viêm, kéo theo tổn thương các khớp nối thần kinh và làm giảm số lượng neuron. Peptid Aβ được cắt từ protein tiền tố (amyloid precursor protein - APP) bởi các enzyme chức năng β, γ-secretases và có độ dài chuỗi thay đổi trong khoảng 36-43 acid amin. Hai dạng phổ biến nhất của peptid Aβ là Aβ40 (gồm 40 acid amin) và Aβ42 (gồm 42 acid amin). Chuỗi peptid Aβ42 chỉ khác Aβ40 hai acid amin cuối cùng Ile41 và Ala42 nhưng có tính chất khác biệt so với Aβ40. Peptid Aβ42 tạo sợi nhanh hơn, độc hơn và là thành phần chính yếu cấu thành các mảng bám amyloid, mặc dù nó có số lượng ít hơn Aβ40. Để làm rõ ảnh hưởng của hai acid amin cuối cùng, nghiên cứu sinh (NCS) tiến hành nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm trong ống nghiệm cho các chuỗi Aβ40, Aβ41 và Aβ42. Kết quả cho thấy Ala42 ảnh hưởng lên việc gia tăng vận tốc tạo sợi và độc tố của Aβ42 hơn là Ile41. Một trong những cách ức chế bệnh Alzheimer là làm giảm vận tốc tạo sợi của peptid Aβ thông qua việc gây đột biến chuỗi. Đã có rất nhiều nghiên cứu về đột biến chuỗi peptid Aβ nhằm hướng đến ức chế bênh Alzheimer. Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, đột biến ba điểm G33V-V36P-G38V (VPV) đẩy mạnh quá trình tạo sợi của Aβ42 và làm đột biến Aβ40-VPV có hành xử cuộn giống Aβ42 thể tự nhiên, đồng thời làm tăng độc tố. Bằng mô phỏng các cấu trúc Aβ thể tự nhiên và đột biến trên đoạn ngắn 31-40, 31-42 và trên chuỗi đầy đủ độ dài, NCS đã đưa đến kết luận rằng sự tương đồng trong động học tích tụ của Aβ40-VPV và Aβ42-WT gây nên bởi sự gia tăng của cấu trúc β trên toàn bộ chuỗi khi có đột biến. Sự thay đổi của Aβ42 khi chịu tác động của đột biến VPV dựa trên sự gia tăng cấu trúc β-turn và β-hairpin tại acid amin 36-37 ở đầu C của chuỗi. Cấu trúc khóa kéo motif glycin tại đầu C được cho là ảnh hưởng đáng kể đến vận tốc tạo sợi và sự hình thành độc tố của peptid Aβ. Để khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc motif glycin lên tính chất của Aβ42, chúng tôi đã nghiên cứu đột biến G37V thông qua thực nghiệm trong ống nghiệm và mô phỏng tính toán động lực học phân tử cổ điển. Kết quả cho thấy đột biến G37V làm giảm mạnh độc tố của Aβ42 nhưng không thay đổi vận tốc tạo sợi và thành phần cấu trúc bậc hai. Các phân tích thực nghiệm cho thấy hình thái tích tụ của đột biến G37V tạo thành các mảng có hình dạng ellipse hơn là các sợi lưới như Aβ42 thể tự nhiên. Sự khác biệt trong hình thái tích tụ có thể là một trong những nguyên nhân khả dĩ dẫn tới sự suy giảm độc tố. Kết quả mô phỏng cho thấy G37V làm tăng thành phần β-turn và β-hairpin tại các acid amin 36-37 và có phân bố khoảng cách cầu muối (SB) Asp23-Lys28 linh hoạt hơn so với thể tự nhiên. Những đặc tính cấu trúc này có thể là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi hình thái sợi của Aβ chuyển từ dạng lưới sang dạng ellipse. Các nghiên cứu trước đây cho rằng ảnh hưởng của môi trường (nồng độ pH, nồng độ muối, nhiệt độ…) và từ cấu trúc nội tại (độ kị nước, điện tích, xu hướng tạo sợi ở trạng thái monomer, độ bền cơ học…) là các yếu tố kiểm soát vận tốc tạo sợi của protein. Cấu trúc tìm được từ thực nghiệm cho thấy trạng thái sợi của protein bao gồm các phiến β chéo. Do đó, chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng những monomer có thành phần nhiều β được cho rằng sẽ tạo sợi nhanh hơn những monomer có thành phần ít β hơn và nghiên cứu cấu trúc monomner có thể giúp suy luận quá trình hình thành sợi. Tuy nhiên yếu tố quan trọng này chưa được minh chứng một cách rõ ràng. Trong luận án này, NCS sử dụng vận tốc tạo sợi κ đã được xác định từ các công bố thực nghiệm trước đây và tiến hành mô phỏng cho Aβ42 thể tự nhiên và 19 đột biến của nó để tính toán thành phần cấu trúc β trong thạng thái monomer. Hệ số tương quan cao trong mối quan hệ giữa vật tốc tạo sợi thực nghiệm và thành phần β cho phép khẳng định cấu trúc β trong trạng thái monomer kiểm soát tốc độ tạo sợi của Aβ42. Hàm phụ thuộc của vận tốc tạo sợi vào thành phần β được thể hiện dưới dạng tuyến tính và hàm mũ exp. Nếu tỉ lệ phần trăm β càng lớn, vận tốc tạo sợi sẽ càng nhanh. Các kết quả mô phỏng đã trả lời một câu hỏi quan trọng về sự phụ thuộc của vận tốc tạo sợi vào thành phần β một cách định lượng. Công thức liên hệ giữa vận tốc tạo sợi và thành phần β cho phép xác định tốc độ tạo sợi của protein trong thực nghiệm dựa trên thành phần β trong cấu trúc monomer, và giá trị này được tính bằng mô phỏng máy tính.