6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.1.2.2. Cấu trúc PDB của miền tyrosine kimase của HER1 và HER2
Thụ thể HER1-TK có cả 2 cấu dạng hoạt động và không hoạt động [57]. Erlotinib và Gefitinib ức chế dạng hoạt động của EGFR (mã PDB: 1M17) nên là thuốc ức chế loại I, còn Lapatinib ức chế dạng không hoạt động của EGFR (mã PDB: 1XKK) nên là chất ức chế loại II. Còn với HER2, Erlotinib và Lapatinib là chất ức chế loại I do ức chế được với dạng hoạt động của thụ thể (mã PDB: 3PP0).
A) Cấu dạng hoạt động của HER1- TK (mã PDB: 1M17)
B) Cấu dạng không hoạt động của HER1-TK (mã PDB: 1XKK)
C) Cấu dạng hoạt động của HER2-TK (mã PDB: 3PP0)
Hình 2.1. Cấu trúc PDB của HER1-TK và HER2-TK
2.1.2.3. Hoạt động ức chế tyrosine kinase HER1 và HER2
Protein kinase có thể được chia thành hai loại chính – tyrosine kinase và kinase serine - threonine. Tyrosine kinases phosphoryl hóa nhóm phenol của gốc tyrosine, trong khi serine - threonine kinases phosphoryl hóa nhóm rượu của gốc senire và threonine. Tất cả các kinase sử dụng cofactor adenosone triphosphate (ATP) làm tác nhân phosphoryl và do đó có một vùng bên trong vị trí hoạt động liên kết với ATP và một vùng lân cận liên kết với chất nền. Về lý thuyết, có thể thiết kế chất ức chế liên kết với một hoặc vùng khác trong số
những vùng này, nhưng cho đến nay, kết quả tốt nhất đã đạt được với chất ức chế có khả năng liên kết với vùng liên kết cofactor. Thực tế là có rất nhiều kinase và tất cả chúng đều sử dụng ATP làm tác nhân phosphoryl hóa, ban đầu người ta cho rằng việc đạt được tính chọn lọc giữa các kinase sẽ là một vấn đề lớn. Các cấu trúc tinh thể của protein kinase chứa ATP liên kết cho thấy rằng ATP gắn kết khá lỏng lẻo với vị trí hoạt động và có những khu vực vẫn chưa bị chiếm đóng. Cũng có sự khác biệt đáng kể giữa kinase đối với các amino acid trong những khu vực không có liên kết này. Kết quả là, hoàn toàn có thể thiết kế các chất ức chế chọn lọc.
Hiểu biết rõ về cách ATP liên kết với hoạt chất kinase đã giúp ích rất nhiều trong việc thiết kế các tác nhân mạnh và chọn lọc. Ví dụ, tương tác của ATP với vị trí hoạt động của HER1-TK được thể hiện trong Hình 2.2 và là đại diện cho tất cả các vị trí hoạt động kinase. Purine nằm sâu trong vùng hoạt động và tạo ra hai tương tác liên kết hydrogen quan trọng với dải protein được gọi là vùng bản lề (hinge region). Vòng dị vòng cũng hình thành tương tác van der Waals với các amino acid amin xung quanh nó. Đường ribose được liên kết thành một túi liên kết ribose và chuỗi triphosphorate nằm dọc theo một khe hở dẫn đến bề mặt của enzyme. Triphosphorate bị ion hóa tương tác với hai ion kim loại và với một số amino acid thông qua liên kết hydrogen. Ngoài ra còn có nhiều khu vực không gian trống khác nhau, một trong số đó là đặc biệt quan trọng và bao gồm một túi kỵ nước đối diện với túi liên kết ribose (túi kỵ nước I). Tại lối vào túi này, có một phần dư amino acid amin quan trọng được gọi là phần dư của gatekeeper. Ở một số kinase, amino acid của gatekeeper lớn và chặn đường vào túi, trong khi ở các kinase khác, cặn của gatekeeper nhỏ, cho phép thuốc được thiết kế để tấn công và tương tác với túi. Túi kỵ nước cũng được tạo bởi các amino acid amin khác nhau tùy thuộc vào các kinase khác
nhau, điều này mở ra khả năng thiết kế các loại thuốc có thể phân biệt giữa túi kỵ nước của một vị trí hoạt động kinase với kỵ nước của một vị trí khác.
Hình 2.2. Liên kết của ATP ở vùng hoạt hóa kinase của thụ thể HER1
Kinase đã được xác định là một trong những mục tiêu quan trọng nhất trong liệu pháp chữa khỏi ung thư. Một trong những cách để ức chế hoạt động bất thường của kinase là thiết kế các chất ức chế phân tử nhỏ để liên kết vào khe liên kết ATP, ngăn chặn liên kết ATP và do đó ức chế quá trình phosphoryl hóa. Sự thành công của các chất ức chế cạnh tranh ATP phân tử nhỏ như imatinib để điều trị bệnh bạch cầu dòng tủy mãn tính (CML) và các khối u mô đệm đường tiêu hóa (GIST) đã khẳng định rằng chiến lược này thực sự hiệu quả [58]. Mặc dù thành công của imatinib, việc thiết kế các chất ức chế cạnh tranh ATP có tính chọn lọc đối với một kinase cụ thể dường như khá thách thức do tính chất bảo tồn của cấu trúc protein.
Cấu trúc tinh thể tia X cho một loạt các kinase có sẵn trong Ngân hàng Protein (PDB), cung cấp cơ sở cấu trúc để hiểu chất ức chế kinase và tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế theo hướng cấu trúc của các chất ức chế đặc hiệu kinase. Các khe xúc tác của protein kinase thường bao gồm hai túi kỵ nước
(Hyp1 và Hyc1), vùng adenine, chứa hai liên kết hydrogen chính được hình thành do sự tương tác của các nhóm amin N-1 và N-6 của vòng adenine với NH xương sống và nhóm cacbonyl của vùng bản lề (Met769 trong HER1 và Met801 trong HER2) của protein kinase. Nhiều chất ức chế mạnh sử dụng ít nhất một trong những liên kết hydrogen này. Túi kỵ nước không được ATP sử dụng, nhưng được khai thác trong thiết kế của hầu hết các chất ức chế kinase. Nó đóng một vai trò quan trọng đối với tính chọn lọc của chất ức chế, và kích thước của nó khác nhau ở các trạng thái kinase hoạt động và không hoạt động. Túi kỵ nước mở ra với dung môi và không được sử dụng bởi ATP và do đó, nó có thể được khai thác trong việc thiết kế các chất ức chế. Vùng liên kết phosphate có ít cơ hội về ái lực liên kết với chất ức chế do tiếp xúc với dung môi cao. Tuy nhiên, nó có thể được sử dụng để cải thiện tính chọn lọc.
Thuốc ức chế kinase được phân loại là chất ức chế loại I hoặc loại II. Cả hai trường hợp, chúng liên kết với vị trí hoạt động và ngăn chặn sự liên kết của ATP và chất nền. Chất ức chế loại I thường liên kết với cấu trúc hoạt động của thụ thể, còn chất ức chế loại II liên kết với cấu trúc không hoạt động.
Người ta đã quan sát thấy rằng có sự thay đổi đáng kể của các amino acid trong vùng kỵ nước II giữa các kinase khác nhau, cho thấy rằng các chất ức chế loại II có khả năng được chọn lọc nhiều hơn. Tuy nhiên, do các amino acid trong vùng kỵ nước bổ sung ít được bảo tồn hơn, nên khả năng kháng thuốc cao hơn do các đột biến ngẫu nhiên gây ra. Điều này có thể dẫn đến kinase tồn tại sẽ không liên kết được chất ức chế và có xu hướng trở thành các phân tử lớn hơn, điều này có thể hạn chế khả năng đi qua màng tế bào của chúng.
Cho đến nay, tất cả các chất ức chế quan trọng về mặt lâm sàng đều có tương tác liên kết tương tự tương tác adenine của ATP, cụ thể là hai hoặc ba liên kết hydrogen với vùng bản lề, và tương tác van der Waals với các amino
acid xung quanh. Tính chọn lọc thu được bằng cách thiết kế các tương tác với các vùng của vị trí hoạt động không bị ATP chiếm giữ, chẳng hạn như túi kỵ nước I, hoặc với cặn của gatekeeper. Trong trường hợp chất ức chế loại II, các tương tác van der Waals bổ sung có thể xảy ra với vùng kỵ nước bổ sung II, cũng như liên kết hydrogen với hai amino acid được bảo tồn (Glu và Asp) trong cùng vùng đó.