NGHIÊN cứu cấu TRÚC của AMYLOID BETA 42 và AMYLOID BETA 40 TRONG TRẠNG THÁI cân BẰNG sử DỤNG PHƯƠNG PHÁP mô PHỎNG ĐỘNG lực học PHÂN tử

Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy các dạng tích tụ Aβ khi chưa hình thành mảng bám Aβ ngoại bào khởi phát bệnh Alzheimer trước những dấu hiệu lâm sàng của AD [1].. Giả thuyế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG

Người hướng dẫn khoa học: Th.S Trần Thị Minh Thư

-

TP HỒ CHÍ MINH – 2018

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp là mốc để đánh dấu sự kết thúc của quá trình học tập trên giảng đường đại học và là bước khởi đầu làm quen với công việc nghiên cứu khoa học Để hoàn thành tốt đồ án không chỉ đòi hỏi sự nổ lực, cố gắng của bản thân mà còn cần đến sự động viên của gia đình, bạn bè và sự tận tình giúp đỡ của các Thầy Cô, giảng viên hướng dẫn

Trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô khoa Khoa Học

Vật Liệu - Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia Thành phố

Hồ Chí Minh Thầy Cô là người đã truyền đạt những kiến thức quý báu tạo hành

trang vững chắc để em bước vào cuộc đời

Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Th.S Trần

Thị Minh Thư Cô là giảng viên đã trực tiếp hướng dẫn, nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ,

giải đáp thắc mắc và truyền đạt lại những kiến thức chuyên môn sâu rộng cho em Cô luôn đưa ra những lời nhận xét và ý kiến bổ ích, cũng như luôn theo sát tiến độ thực hiện đề tài nghiên cứu đạt kết quả tốt nhất

Cuối cùng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và những người thân luôn động viên, khích lệ và là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho em trong quá trình học tập và nghiên cứu

Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã tiếp thu thêm rất nhiều kiến thức

bổ ích cho bản thân mình Tuy nhiên, do khả năng và cơ sở máy móc còn hạn chế nên em vẫn còn mắc nhiều thiếu sót và khuyết điểm Em kính mong nhận được sự góp ý của Quý Thầy Cô và các bạn để hoàn chỉnh đồ án này hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

TPHCM, ngày 28, tháng 6, năm 2017

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH HÌNH VẼ vi

DANH SÁCH BẢNG vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Bệnh Alzheimer 3

1.2 Amyloid beta (Aβ) 6

1.3 Amyloid beta và bệnh Alzheimer 8

Chương 2: CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 10

2.1 Protein trong cơ thể 10

2.2 Cấu trúc bậc một của protein 10

2.3 Cấu trúc bậc hai của protein 11

2.3.1 Xoắn α helix 11

2.3.2 Phiến β 12

2.3.3 Turn 12

2.4 Cấu trúc bậc ba và bậc bốn của protein 13

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ 14

3.1 trường lực cổ điển trong mô phỏng sinh học 14

3.2 Tích phân phương trình chuyển động 15

3.3 Điều kiện ban đầu 16

3.4 Cân bằng nhiệt độ, áp suất 16

3.5 Các ràng buộc holonomic 17

3.6 Các mô hình nước trong mô phỏng sinh học 18

3.7 Phương pháp replica exchange 18

Chương 4: BÀI TOÁN MÔ PHỎNG VÀ CÔNG CỤ PHÂN TÍCH 20

4.1 Cấu trúc ban đầu 20

4.2 Phương pháp mô phỏng trong bài toán 20

4.3 Các công cụ phân tích dữ liệu 21

Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 23

5.1 Tính ổn định của hệ mô phỏng 23

5.2 Cấu trúc bậc 2 của Aβ1-40 và Aβ1-42 25

5.3 Phân bố cầu muối của Aβ1-40 và Aβ1-42 27

5.4 Bề mặt năng lượng tự do của Aβ1-40 và Aβ1-42 29

KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AICD APP Intracellular Domain

APP Amyloid Precursor Protein

BACE1 β-site APP cleaving enzyme

dPCA Dihedral Principal Component Analysis

NFT Neurofibrillary Tangles

REMD Replica Exchange Molecular Dynamics

RMSD Root Mean Square Deviation

sAPPβ Secreted Amyloid Precursor Protein-β

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Dấu hiệu bệnh lí của Alzheimer 6

Hình 1.2: Quá trình cắt của APP 6

Hình 3.1: Cấu trúc α helix, 11

Hình 3.2: Minh họa β turn 15

Hình 4.1: Cấu trúc Aβ1-42 ban đầu 20

Hình 5.1: (Phần trên) Thay đổi theo thời gian của Cα-RMSD tại 300K (Phần dưới) Lượng β, α, turn và coil ở 2 khoảng thời gian [210-700] và [210-1000] ns tại 300K của Aβ1-42 24

Hình 5.2: Phân bố cấu trúc bậc 2 của Aβ1-40 và Aβ1-42 tại 300k 25

Hình 5.3: Phân bố khoảng cách cầu muối Asp23-Lys28 của Aβ40 và Aβ42 27

Hình 5.4: Phân bố khoảng cách d-alpha 23-28 của Aβ1-40 và Aβ1-42 ở 300k 28

Hình 5.5: Bề mặt năng lượng tự do của Aβ1-40 và Aβ1-42 29

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 3.1 Góc nhị diện, độ dài trên một residue của một số cấu trúc bậc hai 12 Bảng 5.1 Thành phần phẩn trăm cấu trúc của Aβ1-42 và Aβ1-40 26 Bảng 5.2 Các cấu trúc đặc trưng (S) biểu diễn các vùng lớn trên bề mặt năng lượng tự

do của Aβ1-40 và Aβ1-42 30

MỞ ĐẦU

Bệnh Alzheimer’s (AD) là một bệnh lý về não tác động đến trí nhớ, suy nghĩ và hành vi Đây là một bệnh thoái hóa thần kinh mãn tính thường bắt đầu chậm và xấu

nhớ và các khả năng tư duy nghiêm trọng đến nỗi gây trở ngại cho cuộc sống thường ngày

Bệnh Alzheimer chiếm khoảng từ 60% đến 80% trong những bệnh làm suy giảm trí nhớ Dấu hiệu bệnh lý thần kinh vi mô của AD bao gồm suy giảm số lượng synapse và neuron, khớp nối thần kinh bị phá hủy, các đám rối sợi thần kinh gồm các protein tau bị siêu phosphoryl hóa và mảng Amyloid beta (Aβ) tạo bởi sợi Aβ Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy các dạng tích tụ Aβ khi chưa hình thành mảng bám Aβ ngoại bào khởi phát bệnh Alzheimer trước những dấu hiệu lâm sàng của AD [1] Ngoài ra, người ta chứng minh rằng khi ngăn chặn quá trình tích tụ Aβ1-

42 cũng làm chậm sự phá hủy vi ống tế bào gây bởi các protein tau bị siêu phosphoryl hóa [2] Các kết quả này cho thấy peptide Aβ đóng vai trò quan trọng trong cơ chế gây bệnh Alzheimer Giả thuyết amyloid cho rằng việc tích tụ amyloid

là nguyên nhân gây bệnh Alzheimer, các dạng tích tụ này không chỉ là dạng sợi Aβ

mà còn là những dạng polymer không có cấu trúc xác định như tiền sợi (protofibril)

và đặc biệt là oligomer [3] Các multimer này phá hủy kênh ion của tế bào, dẫn tới kích hoạt quá trình tiêu diệt tế bào thần kinh [4] Vì vậy, cơ chế cũng như đặc điểm của quá trình tích tụ Aβ từ dạng peptide thành các cấu trúc phức tạp hơn như oligomer đóng vai trò quan trọng nhằm ngăn chặn quá trình tiến triển của AD

Aβ là sản phẩm của quá trình phân rã protein APP bằng các enzyme β và γ tạo thành các peptide Aβ với độ dài khác nhau Trong số các dạng biến thể của Aβ, Aβ1-

40 và Aβ1-42 chiếm số lượng nhiều nhất trong não Với hai amino acid nhiều hơn ở đuôi C, Aβ1-42 được chứng minh là thành phần gây độc chủ yếu lên tế bào thần kinh

và khả năng tích tụ nhanh hơn nhiều Aβ1-40 Aβ1-42 có khả năng kết tụ với tốc độ nhanh hơn khoảng 1000 lần và độc tính lớn hơn nhiều so với Aβ1-40 [5], oligomerAβ42 cũng có kích thước lớn hơn của Aβ40 Aβ1-40 và Aβ1-42 oligomer hóa theo hai con đường khác nhau: Aβ40 tích tụ dưới dạng dimer, trimer và tetramer, trong khi Aβ42 có xu hướng hình thành các đơn vị pentamer/hexamer và phát triển lên thành những oligomer lớn hơn như dodecamer và octadecamer [9]

Bằng nghiên cứu đuôi C với các độ dài khác nhau, người ta xác định Ile41 và Ala42 làm tăng đáng kể tỉ lệ kết tụ Aβ1-42 [10]

Chúng tôi tiến hành thí nghiệm mô phỏng để so sánh các cấu trúc và khả năng tích

tụ của Aβ1-40 và Aβ1-42 Bằng mô phỏng replica exchange (REMD) và trường lực OPLS-AA/L với mô hình nước không tường minh theo mô hình Born tổng quát (GB)

Các kết quả về hai residue Ile41, Ala42 của Aβ42 của chúng tôi cung cấp cái nhìn

rõ hơn về cơ chế của sự khác biệt giữa hai dạng Aβ40 và Aβ42 Vì hai dạng này có vai trò khác nhau trong cơ chế gây bệnh Alzheimer bởi Aβ, kết quả về nghiên cứu cho ta hiểu rõ bản chất, cơ chế gây bệnh từ đó đưa ra các cách tiếp cận và điều trị hiệu quả bệnh Alzheimer

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Bệnh Alzheimer

Alzheimer disease (AD) là một chứng mất trí phổ biến nhất, được phát hiện lần

đầu tiên năm 1906 bởi Alois Alzheimer (bác sĩ người Đức) Hiện trên thế giới, Alzheimer ảnh hưởng đến khoảng 10% người từ 65 tuổi, với tỷ lệ này tăng gấp đôi mỗi năm năm lên đến 80 tuổi Năm 2010 có khoảng 35.6 triệu người trên toàn thế giới Dự tính 20 năm sau (2030 là 65.7 triệu người) Riêng ở Mỹ 2012 có 5.4 triệu người là nguyên nhân thứ sáu gây tử vong Việt Nam bênh Alzheimer chiếm khoảng 5% dân số trên 60 tuổi, tỷ lệ tăng dần theo độ tuổi Các phương pháp điều trị hiện tại chỉ giúp giảm một phần nhỏ triệu chứng bệnh, bệnh không thể chữa khỏi trở thành áp lực rất lớn về mặt xã hội, tâm lý, sức khỏe, kinh tế đối với cuộc sống của những người chăm sóc Ở các nước phát triển, Alzheimer là một trong những bệnh tốn kém nhất cho xã hội

Các nghiên cứu trên những người bình thường từ giai đoạn trước Alzheimer cho thấy có sự chuyển đổi đột ngột về sự suy giảm triệu chứng nhận thức giữa giai đoạn tiền lâm sàng và giai đoạn sớm của Alzheimer Sự suy giảm dần dần về mặt nhận thức trong giai đoạn tiền lâm sàng khi đạt đến một điểm uốn, dẫn tới sự mất dần khả năng nhận thức, đó là dấu hiệu của Alzheimer lâm sàng Thông thường, khi người bệnh mất khả năng nhận thức một cách nhanh chóng mới được đưa tới các cơ sở y tế

Vì vậy thời gian bệnh nhân đến để chẩn đoán não thường đã bị nhiều tổn thương nên không thể phục hồi bằng bất kỳ phương pháp điều trị nào

Bệnh được biểu hiện bởi sự xuất hiện của các mảng bám amyloid beta ngoại bào

và các đám rối tơ thần kinh (NFTs) nội bào, làm suy giảm chức năng của các tế bào thần kinh và gây chết tế bào Sự thoái hoá thần kinh được ước tính bắt đầu từ 20-30 năm trước khi bất kỳ các biểu hiện lâm sàng nào của bệnh trở nên rõ ràng Các mảng bám và các đám rối tơ thần kinh nội bào đã được coi là các biểu hiện sớm của Alzheimer, dẫn đến sự thoái hóa thần kinh sau đó và apoptosis của nơ-ron.Tuy

nhiên mật độ và vị trí của mảng bám amyloid không tương quan với các triệu chứng hoặc mức độ nghiêm trọng của Alzheimer

Các phân tích giải phẫu học cho thấy các thay đổi bệnh lý lan rộng khắp vỏ não và các cấu trúc xung quanh, đặc biệt là vùng đồi thị

Các nghiên cứu Alzheimer cho thấy: Sự tích tụ amyloid beta dần dần xuất hiện ở não khoảng 15 năm trước khi có triệu chứng Mức độ tăng của protein TAU và TAU phosphoryl hóa trong dịch não tủy và chứng teo não xuất hiện đồng thời khoảng 15 năm trước khi có triệu chứng Sự suy giảm ký ức theo giai đoạn xuất hiện 10 năm trước triệu chứng Cuối cùng giảm nhận thức rõ ràng khoảng 5 năm trước triệu chứng

Từ các phát hiện về dấu hiệu đặc trưng trong não người bệnh Alzheimer, nhiều mô hình được đưa ra nhằm giải thích nguyên nhân và cơ chế gây bệnh Trong đó giả thuyết về amyloid beta và tau được quan tâm nhiều nhất [34] Có quan điểm cho rằng Alzheimer phát triển độc lập từ cả hai lộ trình gây bệnh, amyloid beta và tau [35] hoặc một trong hai lộ trình này là hệ quả của lộ trình còn lại

Đối với giả thuyết tau, các protein tau bất thường bị siêu phosphoryl hóa được cho

là nguồn gốc gây bệnh Alzheimer Protein tau tương tác với protein tubulin và kích thích tubulin kết hợp vào các ống vi thể và giúp ổn định hóa cấu trúc các ống vi thể Chức năng này được điều chỉnh bởi bậc phosphoryl hóa của tau, ở trạng thái bình thường một mol tau tương ứng 2-3 mole phosphate, đối với bệnh nhân Alzheimer tỉ

lệ này tăng 3-4 lần Ở các trường hợp mắc Alzheimer, lượng protein tau bị siêu phosphoryl hóa cao gấp 4 đến 8 lần bình thường Các protein tau bất thường bị siêu phosphoryl hóa không những không liên kết với tubulin và kích thích kết hợp vi ống

mà còn ức chế và làm gãy vi ống Sự tích tụ các protein tau siêu phosphoryl hóa làm rối loạn mạng lưới nội chất nhám và phá hủy bộ máy Golgi Protein tau siêu phosphoryl hóa kết hợp với nhau hình thành các phân tử dạng sợi, cuối cùng là đám rối thần kinh gồm nhiều sợi kết hợp với nhau Nghiên cứu trên các mẫu mô nuôi cấy trong ống nghiệm không phát hiện thoái hóa thần kinh gây bởi Aβ khi không có mặt protein tau bất thường bị siêu phosphoryl hóa [37]

Trong giả thuyết gây bệnh dựa trên amyloid beta (giả thuyết amyloid cascade), sự tăng sinh peptide Aβ từ quá trình phân rã protein APP dẫn tới tích tụ Aβ trong não là nguồn gốc gây bệnh Alzheimer Aβ tích tụ theo thời gian hình thành các mảng amyloid ngoại bào gây viêm, tổn thương synapse, tạo nên các protein tau siêu phosphoryl hóa, chết neuron và cuối cùng gây bệnh Alzheimer [20] Các nghiên cứu cho thấy oligomer, tiền sợi Aβ là dạng cấu trúc Aβ có tương quan với tổn thương neuron cũng như suy giảm nhận thức ở người bệnh cao hơn sợi Aβ [36] Do đó giả thuyết amyloid đã được hiệu chỉnh thành các oligomer Aβ dễ hòa tan là dạng độc tính kích hoạt quá trình phá hủy neuron, làm rối loạn chức năng của synapse Vậy các mảng bám ngoại bào, đám rối sợi thần kinh, suy giảm nhận thức do neuron bị phá hủy khởi nguồn từ quá trình tích tụ các Aβ thành các oligomer, tiền sợi, sợi Aβ Các kết quả về việc các oligomer Aβ kích thích phosphoryl hóa protein tau [37] và những đột biến của APP, đặc biệt trên vùng Aβ có thể bảo vệ chống lại Alzheimer hoặc thúc đẩy tiến triển Alzheimer ủng hộ giả thuyết amyloid cascade

Hình 1.1: Dấu hiệu bệnh lí của Alzheimer Ở thang vi mô, Alzheimer được định

nghĩa bằng sự tích tụ Aβ trong các mảng lão suy (đầu mũi tên) và tau trong các đám rối sợi thần kinh (mũi tên) Tích tụ dạng sợi (cả mảng và đám rối) được nhuộm màu xanh lá cây Nguồn: Neuron 82, no 4 (2014) [33]

1.2 Amyloid beta (Aβ)

Các peptide amyloid beta (Aβ) có hai dạng chủ yếu là Aβ1-40, Aβ1-42, thành phần chính của các mảng bám thần kinh ngoại bào trong não Các peptide xuất phát

từ Amyloid Precursor Protein (APP), được phân tách bởi beta secretase và gamma secretase để sinh ra Aβ [11]

APP là một protein xuyên màng với đầu N ngoại bào và đầu C nội bào APP chủ yếu tập trung ở não APP trải qua nhiều quá trình cắt bằng enzyme tạo ra các protein được cho là liên quan đến Alzheimer APP bị cắt lần lượt bởi α-, β-, và γ-secretase để tạo ra phần đầu N ectodomain hòa tan được, các đoạn peptide Aβ ngoại bào (chủ yếu

là Aβ40 và Aβ42) và một đoạn APP nội bào (AICD) [13]

Quá trình cắt APP được chia làm hai lộ trình, nonamyloidogenic và amyloidogenic (Hình 2.1)

Hình 1.2 Quá trình cắt của APP (a) Lộ trình nonamyloidogenic, APP được xử lí

lần lượt bởi α- và γ-secretase để tạo ra sAPPα, p3 và AICD (b) Lộ trình amyloidogenic, APP bị cắt bằng β-secretase và γ-secretase enzyme β-secretase tạo

ra một đoạn ngoại bào hòa tan được, sAPPβ Đoạn ngắn ở đuôi C còn lại (Cterminal fragment (β-CTF)) bị cắt nhiều lần bởi γ-secretase, lần đầu tạo ra AICD, lần thứ hai tại một số vị tạo ra các đoạn Aβ có độ dài khác nhau như Aβ40, Aβ42, Aβ43 và Aβ3 Nguồn: Annual review of neuroscience[11]

- Lộ trình nonamyloidogenic: Đầu tiên APP bị cắt bởi α secretase tạo các peptide ngoại bào APP-α hòa tan được (sAPP-α) Đoạn còn lại của APP bị cắt bởi γ-secretase tạo thành các chuỗi peptide ngắn p3 và đoạn APP nội bào (APP intracellular domain-

AICD) Lộ trình nonamyloidogenic không tạo thành các Aβ [13]

- Lộ trình amyloidogenic (tạo ra Aβ): Đầu tiên APP bị cắt bởi βsecretase (BACE1) tạo ra hai đoạn: đoạn APP-β hòa tan và đoạn bị giữ trong màng tế bào Tiếp theo, γ-secretase cắt phần nằm trong màng tế bào tạo thành Aβ và AICD Vị trí cắt của γ-secretase có thể thay đổi dẫn đến peptide Aβ có nhiều dạng với độ dài khác nhau như Aβ1-38, Aβ1-40, Aβ1-42, Aβ1-43

Aβ có độ dài 38-43 amino acid được chia làm 4 vùng: đầu N (residue 1-16), vùng lõi kị nước trung tâm (17-21), vùng hình thành loop trong sợi (22-29) và đuôi C (30 trở đi) Monomer Aβ thuộc lớp protein không có cấu trúc xác định Tuy nhiên, các dạng tích tụ bậc cao hơn của Aβ như oligomer, tiền sợi (protofibril), sợi có thể hình thành cấu trúc trật tự như phiến β Việc xác định cấu trúc ba chiều các hình thái tích

tụ dạng sợi của Aβ cũng như những dạng hòa tan như monomer, oligomer, tiền sợi là cực kì khó khăn Ngoài ra, sự khác biệt giữa Aβ1-42 và Aβ1-40 trong chuỗi peptide cũng làm thay đổi lộ trình tích tụ dẫn đến khác biệt trong cấu trúc sợi của chúng Tuy nhiên, vì vai trò quan trọng của cơ chế tích tụ và cuộn các protein đối với một số bệnh lí thần kinh, có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào xác định các đặc điểm cấu trúc phân tử cũng như hình thái tích tụ Aβ [15]

Monomer có cấu trúc mất trật tự, các thí nghiệm đã xác định được một số vùng có

xu hướng hình thành β và vùng hình thành turn trong Aβ1-42 Phổ UV CD xa các monomer Aβ1-40 và Aβ1-42 cũng xác nhận chủ yếu là cấu trúc coil Bằng phương pháp phân tích CD cho thấy β khoảng 12-25% và α helix khoảng 3-9% ở 295 K và pH=7.5 [16]

Tiền sợi và oligomer Tiền sợi là dạng trung gian trong quá trình hình thành sợi ,

khối lượng tương đương cỡ 60 monomer Aβ, có hình thành cấu trúc dải β, được cho rằng đóng vai trò làm nhân cho sự tạo sợi Oligomer là các dạng phân tử nhỏ hơn tiền

sợi, khối lượng từ cỡ tương đương 2 tới 50 monomer Aβ, oligomer cũng hình thành cấu trúc β nhưng không phải lúc nào cũng làm nhân tạo sợi [18]

Ở giai đoạn đầu và giữa của quá trình tích tụ Aβ, các phức hợp siêu bền (metastable) được phát hiện và chia thành hai dạng là oligomer và tiền sợi/sợi nguyên thủy (protofibril) [14]

Sợi Aβ Cấu trúc dạng sợi của Aβ có tính đa hình, thể hiện sự tồn tại của nhiều lộ

trình tự tập hợp các monomer Aβ Các phân tử Aβ trong sợi hình thành cấu trúc

"cross beta", trong đó các dải β tạo bởi Aβ định hướng thẳng góc với trục của sợi Các dải β lân cận tạo nên dạng "steric zipper" bằng việc đan xen nhánh phụ vào nhau Cấu trúc 3 chiều của sợi Aβ thu được từ thí nghiệm cho thấy cách sắp xếp song song hoặc đối song các dải β và sự xuất hiện của cầu muối Asp23-Lys28 là khác biệt quan trọng giữa những dạng sợi Aβ [19]

1.3 Amyloid beta và bệnh Alzheimer

Sự xuất hiện của của Aβ trong các mảng lão suy ở các mẫu mô não bị bệnh Alzheimer là nền tảng của giả thuyết amyloid cascade Sự tăng sinh Aβ dẫn tới tích

sự tích tụ ngoại bào của Aβ trong não theo, kết quả hình thành nên các mảng amyloid gây viêm, kéo theo tổn thương synapse, các đám rối sợi thần kinh (neurofibrillary

tangles-NFTs), giảm số lượng neuron, cuối cùng là Alzheimer [12]

Khi giải phóng ra khỏi tế bào, peptide Aβ có xu hướng liên kết với nhau Aβ-Aβ và hình thành các dải β trong các cấu trúc phức hợp Sự tích tụ Aβ hình thành nhiều cấu trúc multimer với cách sắp xếp monomer Aβ khác nhau [6] Các dạng tích tụ Aβ được chứng minh rằng gây độc trực tiếp lên tế bào Mặc dù dạng sợi Aβ không hòa tan được cho rằng là nguyên nhân gây bệnh Alzheimer, phát hiện về oligomer và tiền sợi cho thấy các dạng tích tụ này mới là đối tượng chi phối sự thoái hóa thần kinh như làm chết tế bào, phản ứng viêm, rối loạn chức năng synapse và làm giảm số lượng tế bào thần kinh Trong đó, oligomer có khả năng gây độc mạnh nhất Do đó,

lộ trình tích tụ của Aβ đóng vai trò then chốt trong quá trình tiến triển của bệnh Alzheimer [3]

Hai giả thuyết gây bệnh Alzheimer dựa trên Aβ và protein tau không độc lập mà liên quan mật thiết với nhau, bằng chứng thực nghiệm cho thấy Aβ làm tăng tốc quá trình tích tụ và gây độc của tau.[21] Thêm vào đó, các nghiên cứu chỉ ra sự tích tụ Aβ gây ảnh hưởng lên các protein tau, chúng bị phosphoryl hóa và hình thành đám rối, kích hoạt lộ trình gây độc bởi tau và làm chết các tế bào thần kinh củng cố cơ sở cho giả thuyết amyloid cascade.[22] Như vậy, quá trình tích tụ Aβ đóng vai trò khởi phát gây bệnh Alzheimer

Trong số các dạng Aβ, 40 và 42 chiếm tỉ lệ lớn nhất với 42/Aβ140≈1/10 Aβ1-40 và Aβ1-42 chỉ khác nhau ở chỗ Aβ1-42 có thêm hai residue Ile41 và Ala42 Tuy nhiên, Aβ1-42 có độc tính và tốc độ hình thành các cấu trúc oligomer, sợi cao hơn Aβ1-40 Aβ1-42 cũng được xác định là dạng Aβ đóng vai trò chính trong lộ trình amyloid.[7,8] Kết quả nghiên cứu cho thấy hai residue Ile41 và Ala42 đóng vai trò quan trọng trong các dạng oligomer của Aβ, Aβ1-40 chủ yếu tồn tại ở monomer, dimer, trimer và tetramer trong khi Aβ1-42 có xu hướng hình thành pentamer, hexamer.[9] Nghiên cứu cũng chỉ ra Aβ1-40 có thể đóng vai trò bảo vệ, chống lại Alzheimer bằng cách ức chế tích tụ Aβ1-42.[23]

Aβ1-Từ các kết quả trên, hiểu rõ cơ chế chi phối sự khác biệt giữa Aβ1-42 và Aβ1-40, làm rõ ảnh hưởng của Aβ trong AD Từ đó, tiến thêm một bước trong việc tìm kiếm nguyên nhân và cơ chế gây bệnh Alzheimer Ngoài ra, xác định được các yếu tố tạo nên khác biệt giữa hai dạng phổ biến nhất của Aβ giúp cho nghiên cứu thuốc chữa Alzheimer hiệu quả hơn thông qua định hướng sự chú ý vào những nhân tố quan trọng

Chương 2: CẤU TRÚC CỦA PROTEIN

2.1 Protein trong cơ thể

Protein là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà các đơn phân là axit amin Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ các liên kết peptide trong đó nhóm amino nối với nhóm carboxyl Việc tổng hợp liên kết peptide được thưc hiện tại ribosome Các chuỗi amino acids này được gọi là peptide hoặc polypeptide (protein) khi độ dài lớn hơn khoảng 50 amino acids Người ta thường dùng từ residue để chỉ một amino acid xác định trong chuỗi Các chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein [25] Người ta đã phát hiện ra có hơn 20 loại acid amin trong thành phần của tất cả các loại protein khác nhau trong cơ thể sống

Cấu trúc chung của amino acid là nhánh chính (back bone) gồm nhóm amino NH2

và carboxyl COOH nối vào nguyên tử carbon trung tâm (α carbon) (ngoại trừ Proline, nhánh phụ tạo vòng liên kết trực tiếp với nguyên tử N của nhóm amino) Các nguyên tử còn lại liên kết với α carbon là hydro và nhóm R hay còn gọi là nhánh phụ (side chain) [26]

2.2 Cấu trúc bậc một của protein

Từ các acid amin, nhờ liên kết peptid nối chúng lại với nhau tạo nên chuỗi polypeptid

Chuỗi polypeptid là cơ sở cấu trúc bậc I của protein Tuy nhiên, không phải mọi chuỗi polypeptid đều là protein bậc I Nhiều chuỗi polypeptid chỉ tồn tại ở dạng tự do trong tế bào mà không tạo nên phân tử protein Những chuỗi polypeptid có trật tự acid amin xác định thì mới hình thành phân tử protein Người ta xem cấu tạo bậc I của protein là trật tự các acid amin có trong chuỗi polypeptid Thứ tự các acid amin trong chuỗi có vai trò quan trọng vì là cơ sở cho việc hình thành cấu trúc không gian của protein và từ đó quy định đặc tính của protein Phân tử protein ở bậc I chưa có hoạt tính sinh học vì chưa hình thành nên các trung tâm hoạt động Phân tử protein ở

cấu trúc bậc I chỉ mang tính đặc thù về thành phần acid amin, trật tự các acid amin trong chuỗi

Trong tế bào protein thường tồn tại ở các bậc cấu trúc không gian Sau khi chuỗi polypeptid - protein bậc I được tổng hợp tại ribosome, nó rời khỏi ribosome và hình thành cấu trúc không gian (bậc II, III, IV) rồi mới di chuyển đến nơi sử dụng thực hiện chức năng của nó

2.3 Cấu trúc bậc hai của protein

Từ cấu trúc bậc một tạo nên cấu trúc bậc hai của protein bằng cách sắp xếp chuỗi polypeptide hoặc các quan hệ trong không gian giữa các nhánh chính của amino acid nằm gần nhau trong chuỗi Cấu trúc bậc hai không quan tâm tới cấu hình của các nhánh phụ hoặc quan hệ giữa các chuỗi Có ba dạng cơ bản của cấu trúc bậc hai là xoắn α helix, phiến β và turn [27] Các dạng khác là biến thể của một trong ba dạng trên (coil)

2.3.1 Xoắn α helix

Là cấu trúc phổ biến nhất trong protein, có dạng cuộn xoắn với chu kì xoắn trung bình 3.6 amino acid Các liên kết hydro hình thành trong cấu trúc α helix giữa các nhóm C=O (acceptor) và N-H (donor) (Hình 3.1).Cấutrúc α helix được định nghĩa từ giá trị của các góc nhị diện hoặc từ góc nhị diện và liên kết hydro [28] Có thể xác định cấu trúc α helix bằng thuật toán DSSP [29] hoặc STRIDE [30] Xoắn α helix có

một số biến thể như 310 helix và π helix [31]

Hình 3.1: Cấu trúc α helix, các liên kết hydro biểu diễn dưới dạng các đường đứt nét

2.3.2 Phiến β (dải β)

So với α helix, phiến β có cấu trúc trải thẳng Phiến β đơn ít ổn định vì hạn chế trong số lượng tương tác cục bộ nhằm ổn định hóa cấu trúc Tuy nhiên, khi hai hoặc nhiều phiến β hình thành thêm các liên kết hydro với nhau, một cấu trúc tựa mặt phẳng hình thành (tấm β) Tính ổn định của các phiến β này tăng đáng kể nhờ các liên kết hydro giữa nhánh chính của các amino acid giữa các dải liền kề

Các phiến β liền kề có thể sắp xếp song song hoặc đối song xác định bởi hướng của chuỗi polypeptide từ đầu N tới đầu C Các phiến β đối song thường chỉ cần hai phiến trong khi cần ít nhất bốn phiến để hình thành các phiến song song

Sự khác biệt giữa các cấu trúc α và dải β thấy rõ khi xác định giá trị của các góc nhị diện (dihedral, torsion) φ (góc hình thành bởi hai mặt phẳng tạo từ các nguyên tử C-N-Cα-C) và ψ (góc tạo từ các nguyên tử N-Cα-C-N) (Bảng 3.1)

Bảng 3.1 Góc nhị diện, độ dài trên một residue của một số cấu trúc bậc hai [39]

Loại cấu trúc Góc φ (◦) Góc ψ (◦) Độ dài/residue (˚ A)

2.3.3 Turn

Là nơi chuỗi polypeptide đổi hướng trong không gian [32] (Hình 3.2).Các turn được phân loại theo số amino acid: α turn (3 amino acid), β turn (2 amino acid), γ turn (1 amino acid), δ turn (0 amino acid) và π (4 amino acid) Turn được ổn định cấu trúc nhờ các liên kết hydro giữa các amino acid ở hai đầu turn (Hình 3.2)

Hình 3.2: Minh họa β turn (bắt đầu và kết thúc giữa hai mũi tên) và tấm β gồm hai

dải β đối song Các đường đứt nét màu vàng là liên kết hydro [32]

2.4 Cấu trúc bậc ba và bậc bốn của protein

Cấu trúc bậc ba biểu diễn dạng cuộn của chuỗi polypeptide Cấu trúc này là tổ hợp nhiều đơn vị cấu trúc bậc hai để hình thành protein hoàn chỉnh Các thành phần trong chuỗi tương tác với nhau qua liên kết hydro, cầu disulfide, tương tác tĩnh điện, tương tác vanderWaals, liên kết kị nước, tương tác giữa các vòng thơm để giữ ổn định cấu trúc [31]

Cấu trúc bậc bốn gồm nhiều chuỗi polypeptide Các chuỗi polypeptide này tương tác với nhau giữ ổn định cho hệ Thông thường từ tiểu đơn vị được dùng chỉ một chuỗi polypeptide trong cấu trúc này

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ĐỘNG

LỰC HỌC PHÂN TỬ

Mô phỏng động lực học phân tử (MD) là quá trình tìm ra mô hình đơn giản khả dĩ

để mô tả khái quát được một hệ thống thực bằng phương pháp số và những quỹ đạo chuyển động được tạo ra nhằm lấy được các đại lương vĩ mô MD cho phép hình dung trực tiếp chuyển động chi tiết của từng nguyên tử trong hệ, từ đó cung cấp

"cánh cửa" vào thế giới vi mô

Một mô phỏng động lực học phân tử gồm ba phần chính:

• Mô hình mô tả tương tác giữa các hạt

• Tính toán năng lượng và lực từ mô hình với yêu cầu chính xác và hiệu quả

• Thuật toán dùng để tích phân phương trình chuyển động

Mỗi phần đều có ảnh hưởng lớn tới chất lượng tính toán và khả năng lấy đủ số vi trạng thái để thu được trung bình thống kê một cách đáng tin cậy

3.1 trường lực cổ điển trong mô phỏng sinh học

Một trường lực mô tả tương tác giữa các hạt trong hệ, gồm hai thành phần:

• Tập các hàm thế năng dùng để tính thế năng tương tác và lực tương tác

• Các tham số được dùng trong các hàm này, chúng được tính toán sao cho các tính chất của hệ phù hợp với các tính chất thực nghiệm hoặc thu được từ các mô phỏng lượng tử

Hàm thế của các trường lực có dạng chung:

Hình 3.4: Minh họa các tương tác trong trường lực Liên kết cộng hóa trị được biểu

diễn bởi các đường liền nét, tương tác nonbond biểu diễn bởi đường đứt nét

Ba trường lực thông dụng trong mô phỏng protein AMBER, CHARMM và OPLS Càng về sau ba trường lực này sử dụng giá trị điện tích càng tương đồng nhau Sự hội tụ của các giá trị này phản ánh nét tương đồng trong quá trình phát triển tham số và các bộ dữ liệu kiểm thử từ đó cho thấy mô hình điện tích cố định của các trường lực cổ điển đang ngày một tối ưu

3.2 Tích phân phương trình chuyển động

Chương trình GROMACS, thuật toán leap-frog mặc định sử dụng để tích phân chương trình chuyển động Nhưng khi cần độ chính xác cao cùng với các thuật toán cân bằng nhiệt độ, áp suất như Nosé-Hoover thì chúng ta sử dụng thuật toán Verlet vận tốc

Trong thuật toán leap-frog, vị trí tại thời điểm t và vận tốc tại t−1

2∆𝑡 được dùng để tính vị trí và vận tốc: