Khoa học - Y dược

Nghiên cứu phân tử cho thấy điều trị tiềm năng cho bệnh nhân đột quỵ (17/10/2018)

Một phương pháp lai mới được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Clemson và Đại học Stony Brook đã tiết lộ cấu trúc 3-D của một phân đoạn protein trong điều trị bệnh nhân đột quỵ.

Hình ảnh minh họa.

Protein được gọi là "mật độ protein mật độ sau xi nap 95 kDa (PSD-95)" được định vị trên tế bào thần kinh trong não nhận các thông điệp hóa học - dẫn truyền thần kinh - từ tế bào thần kinh lân cận. Bằng cách tìm thụ thể và protein trợ giúp khác, PSD-95 hoạt động để duy trì tính toàn vẹn của những kết nối thần kinh theo thời gian, qua đó tạo điều kiện cho việc truyền tín hiệu thần kinh, học tập và trí nhớ. PSD-95 bao gồm 5 phần, hoặc phạm vi, mỗi phần đóng một vai trò khác nhau trong chức năng tổng thể của protein. Hai trong số phạm vi này, được gọi là PDZ-1 và PDZ-2, được chứng minh là có ảnh hưởng đến triệu chứng liên quan đến đột quỵ thiếu máu cục bộ, chẳng hạn như tê liệt hoặc suy giảm khả năng nói.

Tác giả nghiên cứu - Hugo Sanabria, cho biết: "Một trong những ý tưởng được đưa ra là tạo ra một loại thuốc đa trị nhắm vào cả hai lĩnh vực PDZ vì chúng rất giống nhau. Nếu có thể chặn các miền PDZ khỏi các protein hoặc enzyme cụ thể, chúng ta có thể giảm tác dụng gây suy nhược của đột quỵ”. Tuy nhiên, thách thức là gần như không thể tạo ra chất ức chế thuốc mà không biết cấu trúc chính xác của các miền PDZ của PSD-95. 

Đồng nghiên cứu Feng Ding, cho biết: “Chức năng sinh học của phân tử sinh học được xác định bởi cấu trúc của chúng, vì vậy chúng tôi cần biết chi tiết về cấu trúc và năng động của PDZ-1 và -2 để giúp hiểu rõ hơn về vai trò chức năng của chúng và hỗ trợ tạo ra các chất ức chế mới”. 

Một số phương pháp tiếp cận tồn tại để làm cho cấu trúc của phân tử sinh học. Nhưng trong trường hợp của PSD-95, mỗi phương pháp tiếp cận - phổ NMR, tinh thể học tia X và sự truyền năng lượng cộng hưởng Förster (FRET) đã đưa ra một mô hình kết cấu khác nhau. Giáo sư Mark Bowen thuộc Đại học Stony Brook, đã phối hợp với Hugo Sanabria trong dự án này sau khi ông phát hiện ra một trong những mô hình cấu trúc không nhất quán của đoạn PSD-95.

Tại phòng thí nghiệm, họ giải quyết sự khác biệt này bằng cách mô hình hóa đoạn PSD-95 bằng FRET, phương pháp xác định cấu hình có thể có của phân tử sinh học. Theo phương pháp này, Hugo Sanabria gắn hai phân tử nhạy sáng, gọi là chromophore, ở hai vị trí khác nhau trên đoạn PSD-95. Sau đó ông phát hiện ra khoảng cách giữa các chromophore bằng cách hình dung mảnh dưới kính hiển vi. Điều này được lặp lại nhiều lần từ các điểm gắn khác nhau.

Hugo Sanabria cho biết: "Đối với khía cạnh mô hình hóa, FRET cung cấp cho chúng ta khoảng cách giữa các chromophore, nhưng điều đó không đủ làm giảm tất cả hạn chế hình học của phân tử, vì vậy chúng ta phải dựa vào một thứ khác, một số phương pháp khác”. Chromophore là một phần của phân tử tạo nên màu sắc của phân tử đó. Màu xuất hiện khi một phân tử hấp thụ những bước sóng nhất định ở vùng khả kiến và truyền hoặc phản xạ những bước sóng khác. 

Tại phòng thí nghiệm sinh lý học tính toán tại Đại học Clemson, nơi sử dụng phần mềm máy tính để đánh giá cách thức các phân tử sinh học nhìn, di chuyển và hoạt động. Cách tiếp cận về mô hình hóa sử dụng mô phỏng máy tính được gọi là động lực phân tử rời rạc (DMD) ánh xạ cảnh quan phân tử sinh học, dự đoán đường đi của protein khi chúng gấp và tương tác với phân tử khác. 

Hugo Sanabria, cho biết: “Nếu mô phỏng phân tử truyền thống, chúng ta sẽ lấy mẫu một vùng rất nhỏ của không gian, đặc biệt là đối với phân tử lớn hơn, vì vậy sẽ không có cái nhìn tổng quan về cách toàn bộ phân tử trông như thế nào trong điều kiện sinh lý. Động lực phân tử rời rạc là cách nhanh và ít tốn kém về mặt tính toán để lấy mẫu không gian cấu tạo của protein một cách chính xác và nhanh chóng”. 

Để làm điều đó, nhóm nghiên cứu thu một tập hợp khoảng cách bằng cách đo PSD-95 với FRET. Trong thí nghiệm đó, có 10 mẫu của đoạn PSD-95 mà mỗi mẫu đều cho thấy các khoảng cách khác nhau và ba hình dạng chung hoặc sự phù hợp của PSD-95 được quan sát thấy. Tuy nhiên, nếu không có mô phỏng DMD, không có cách nào để các nhà nghiên cứu biết được khoảng cách nào tương ứng với cấu tạo của đoạn đó. Vì vậy, họ đưa vào mỗi khoảng cách có thể đối với mỗi hình dạng và để mô phỏng làm phần còn lại.

Fen Ding nói: "Khi chúng tôi đã thực hiện mô phỏng đầu tiên, chúng tôi thấy rằng có ba trạng thái chính mà PDZ-1 và PDZ-2 đang dùng. Một cho thấy sự tiếp xúc rất gần giữa hai, một cho thấy tập hợp tiếp xúc trung gian và không có liên hệ gì cả”. Các nhà nghiên cứu sau đó chạy mô phỏng DMD một lần nữa mà không xem xét khoảng cách FRET để xác nhận rằng ba trạng thái quan sát tồn tại trong tự nhiên và không chỉ đơn giản là cách áp đặt bởi khoảng cách FRET. Họ tiếp tục thăm dò cấu trúc bằng cách nhìn vào axit amin riêng lẻ, tạo thành những miền PDZ, liên kết với nhau. Từ những phân tích này, các nhà nghiên cứu có thể xác nhận rằng miền PDZ chiếm hai trong số ba trạng thái quan sát được trong mô phỏng DMD với một số tiếp xúc và không có liên hệ gì.

Hugo Sanabria cho biết: Hiện tại, chúng tôi có hai mục tiêu tiềm năng cho việc chế tạo các loại thuốc mới sẽ hiệu quả hơn những loại thuốc hiện đang có sẵn. Triển vọng cho bệnh nhân đột quỵ là đầy hứa hẹn. Nếu không có các động lực phân tử rời rạc, có thể nắm bắt những thay đổi về cấu trúc xảy ra trong khoảng thời gian micro giây, hai trạng thái này sẽ bị bỏ qua như trong các nghiên cứu trước đây. Hầu hết những người làm mô hình kết cấu được hướng dẫn bởi FRET đang làm việc với một phân tử cứng nhắc, như ADN. Nếu có một phân tử cứng nhắc, thật dễ dàng để tạo mô hình, vì chúng ta chỉ có một trạng thái duy nhất để chụp. Và có thể ấn định khoảng cách FRET mà không gặp phải vấn đề gì cả. Trong trường hợp này, chúng tôi đã vượt qua cách tiếp cận này theo nhiều cách. 

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu đang tìm cách phân tích tiềm năng cho đoạn PSD-95 để tự động ức chế chính nó dựa trên cấu trúc riêng của mảnh vỡ.

Nguồn: Đ.T.V (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 11/10/2018