Mô tả phân tử các dẫn chất tương đồng genistein trên thụ thể estrogen alpha và beta

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược Học 353 MÔ TẢ PHÂN TỬ CÁC DẪN CHẤT TƯƠNG ĐỒNG GENISTEIN TRÊN THỤ THỂ ESTROGEN ALPHA VÀ BETA Huỳnh Thị Ngọc Phương*, Lý Nguyễn Hải Du*, Thái Khắc Minh* TÓM TẮT Mở đầu: Các hormon nhóm estrogen thể hiện các tác động sinh lý qua trung gian 2 nhóm thụ thể estrogen : thụ thể estrogen alpha và thụ thể estrogen beta. Các nghiên cứu gần đây cho thấy tiềm năng sử dụng trong điều trị kháng viêm của các chất đồng vận chọn lọc trên nhóm thụ thể estrogen beta bên cạnh các lợi ích cổ điển đã biết Mục tiêu: Nghiên cứu khả năng gắn kết của các dẫn chất tương đồng genistein lên thụ thể estrogen. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu docking được tiến hành trên 90 dẫn chất tương đồng genistein, một isoflavonoid tương đối chọn lọc trên nhóm thụ thể ER beta – dựa trên cấu trúc tinh thể đồng kết tinh (được xác định nhờ phương pháp nhiễu xạ tia X) của 2 nhóm thụ thể ER alpha và ER beta cùng sự hỗ trợ cùa 2 phần mềm MOE 2008.10 và FlexX/LeadIT 2.0.1. Kết quả và bàn luận: Mô hình mô tả phân tử của 68 dẫn chất 6-phenylnaphtalen và 22 dẫn chất 2- phenylquinolin này đã dự đoán một số mối liên hệ giữa cấu trúc với ái lực cũng như với tính chọn lọc trên nhóm thụ thể ER beta. Kết luận: Kết quả docking này phù hợp với những thông tin đã được ghi nhận liên quan đến khoang gắn kết của 2 phân nhóm ER. Mặt khác, các phương thức gắn kết của các phân tử khá tương hợp với giá trị thực nghiệm IC50 tương ứng. Từ khóa: Docking, thụ thể estrogen (ER), thụ thể estrogen beta (ER beta), genistein, 6-phenylnaphtalen, 2- phenylquinolin ABSTRACT MOLECULAR DOCKING MODELLING OF GENISTEIN ANALOGUES ON ESTROGEN RECEPTOR ALPHA AND BETA Huynh Thi Ngọc Phuong, Ly Nguyen Hai Du, Khac-Minh Thai * Y Hoc TP. Ho Chi Minh * Vol. 17 - Supplement of No 1 - 2013: 353 - 358 Background: The estrogen hormone represents the physiological effects mediated by two estrogen receptors namely estrogen receptor alpha and estrogen receptor beta. Recently studies showed the potential using of a selective agonist on estrogen receptor beta as an anti-inflammatory medicine. Objectives: To study the binding affinity of genisteine derivatives into estrogen receptors using docking modelling. Materials and methods: The docking study was carried out on 90 genisteine derivatives, an isoflavonoid relatively selective on ER receptor beta, based on the X-ray crystal structure of two receptors ER alpha and ER beta by MOE 2008.10 software and FlexX / LeadIT 2.0.1. Results and discussion: A total of 68 structures of 6-phenyl naphtalene and 22 compounds of 2-phenyl quinoleine were successfully docked on to ER alpha and beta. The relationship between structure and affinity as well as selectivity on ER beta receptor was also observed. * Khoa Dược – Đại học Y Dược TP. Hồ Chí Minh; Tác giả liên lạc: TS. Huỳnh Thị Ngọc Phương ĐT: 0908. 772. 118 Email: ngocphuonghuynhthi@gmail.com Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Chuyên Đề Dược Học 354 Conclusion: The docking results were similar to the publised information related to the binding cavity of two subgroups ER. On the other hand, the binding modes of the molecules were similar with the experimental IC50 values. Key words: Docking, estrogen receptor (ER), ER beta, genisteine, 6-phenylnaphthalene, 2-phenylquinolin. ĐẶT VẤN ĐỀ Estrogen là các hormon steroid có nguồn gốc tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong sự tăng trưởng, phát triển cũng như duy trì ổn định cùa nhiều mô khác nhau, ở cả 2 phái nam và nữ. Quả vậy, bên cạnh vai trò thường biết trên sự sinh sản, các hormon này còn biểu hiện các chức năng sinh lý quan trọng trên hệ tim mạch, hệ miễn dịch, cũng như hệ thần kinh trung ương, đồng thời tham gia vào sự cân bằng nội mô của hệ xương. Liệu pháp hormone thay thế - vốn gây nhiều tranh cãi hiện nay - sử dụng các estrogen, đặc biệt là khi phối hợp với progesteron, được dùng để giảm nhẹ các triệu chứng mãn kinh và dự phòng loãng xương. Các estrogen tác động thông qua các thụ thể estrogen (estrogen receptor - ER), thuộc họ các thụ thể trong nhân, hoạt động như 1 yếu tố phiên mã trên gen đích tác động được hoạt hóa bởi các phối tử (ligand). Việc gần đây phát hiện thêm một phân nhóm ER – ER beta (bên cạnh phân nhóm ER alpha đã được biết từ lâu) đã mở ra hy vọng mới trong việc điều trị các rối loạn chức năng liên quan tới các hormon estrogen này. Sử dụng các chất điều hòa chọn lọc trên ER beta có triển vọng đem lại các hiệu quả điều trị mong muốn đồng thời tránh được các tác dụng ngoại ý của liệu pháp hormon thay thế trong điều trị các triệu chứng thời kỳ hậu mãn kinh như gia tăng nguy cơ ung thư vú và ung thư nội mạc tử cung(1). Bên cạnh các lợi ích trên các quá trình sinh lý đã đề cập ở trên, các nghiên cứu mới đây cũng chỉ ra rằng các chất đồng vận chọn lọc trên ER beta rất tiềm năng trong các trị liệu kháng viêm (2). Mặt khác, gần đây các nhà nghiên cứu cũng ghi nhận sự chọn lọc trên ER beta của các dẫn chất nhóm flavonoid, đặc biệt là phân nhóm isoflavonoid như genistein, daidzein (3,4). Tuy vậy việc tìm kiếm và phát triển các phối tử chọn lọc trên từng phân nhóm ER gặp khá nhiều khó khăn do sự tương đồng ở mức độ cao của khoang tác động của 2 phân nhóm thụ thể anh em này. Thực tế, sự khác biệt này chỉ là sự thay thế của 1 cặp acid amin này bởi 1 cặp acid amin khác: Leu384 và Met421 ở ER alpha được thay bởi Met336 và Ile373 ở RE beta. Docking phân tử, một phương pháp mô phỏng bởi máy tính dựa trên cấu trúc không gian ba chiều của các protein, là công cụ hữu hiệu trong việc nghiên cứu thuốc mới nhờ dự đoán các phương thức gắn kết và trong một số trường hợp cả ái lực giữa 2 phân tử. Trong phạm vi nghiên cứu này, nghiên cứu docking được thực hiện trên cấu trúc tinh thể đồng kết tinh của từng phức hợp phân nhóm ER alpha và ER beta với phân tử genistein với sự trợ giúp của 2 phần mềm (MOE 2008.10 và FlexX/LeadIT 2.0.1). Mục tiêu là nhằm tìm hiểu các đặc tính cấu trúc có liên quan đến tính chọn lọc trên ER beta của các dẫn chất 6-phenylnaphtalen và 2-phenylquinolin - 2 khung cấu trúc có nhiều nét tương đồng với genistein - một isoflavonoid có tác động phyto- estrogen gắn kết đồng thời với cả 2 phân nhóm ER với 1 ái lực trung bình nhưng có phần chọn lọc hơn trên ER beta (5). Các kết quả thu được từ nghiên cứu docking lại cho phép đề xuất các phương thức tương tác giữa protein và các phối tử, mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử và ái lực gắn kết cũng như sự chọn lọc của 2 khung cấu trúc trên với 2 phân nhóm thụ thể. Điều này có thể cũng hữu ích trong việc dự đoán ái lực và tính chọn lọc của các chất tương đồng isoflavonoid khác và phát triển các khung cấu trúc mới có tính chọn lọc cao trên ER beta. Đây là tiền đề cho việc phát triển các thuốc mới trong dự phòng và điều trị các rối loạn chức năng liên quan đến sự suy giảm estrogen, tránh được các tác dụng thứ phát nghiêm trọng như khi sử dụng liệu pháp hormon thay thế. Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược Học 355 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Cơ sở dữ liệu thực nghiệm Tổng cộng 90 chất tương đồng genistein gồm 68 dẫn chất 6-phenyl naphtalen và 22 dẫn chất 2- phenylquinolein cùng với giá trị biểu thị ái lực gắn kết của chúng trên ER alpha (aIC50) và trên ER beta (bIC50) được thu thập từ các bài báo(6,7) Cấu trúc protein tinh thể đồng kết tinh Hai phức hợp của ER alpha và ER beta đồng kết tinh với phân tử genistein được tải về từ ngân hàng cơ sở dữ liệu protein (8) và được chuẩn bị cho phù hợp với phần mềm hỗ trợ sử dụng (Bảng 1). Bảng 1. Các cấu trúc tinh thể đồng kết tinh ER Phân nhóm Mã PDB Phối tử đồng kết tinh Độ phân giải Gía trị R Giá trị R-free ER alpha 1X7R 9 genistein 2,0 A 0,225 0,269 ER beta 1QKM 10 genistein 1,8 Ǻ 0,215 0,252 Phần mềm hỗ trợ Phần mềm MOE 2008.1011 (Canada – OS : Window) được dùng để xây dựng cấu trúc phân tử, tiến hành docking bước đầu và biểu diễn các tương tác liên phân tử. Trong khi đó phần mềm Tripos SYBYL-X 1.112 giúp cho việc chuẩn bị các phối tử và phần mềm FlexX / LeadIT 2.0.1(13) (Germany – OS : Linux) thực hiện quá trình docking phân tử. Mô hình mô tả phân tử docking Nghiên cứu docking được tiến hành với sự hỗ trợ của 2 phần mềm: docking ban đầu được thực hiện với phần mềm MOE 2008.10 và docking xác định thực hiện bởi phần mềm FlexX/LeadIT 2.0.1 nhằm làm sáng tỏ các tương tác quan trọng giữa các phối tử và khoang gắn kết của 2 phân tử protein thụ thể ER cũng như xác định một số đặc tính cấu trúc liên quan đến ái lực và tính chọn lọc trên phân nhóm ER beta. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Kết quả docking thực hiện bởi MOE 2008.10 Kết quả docking cho thấy liên kết hydro hình thành nên tương tác cần thiết giữa các phối tử và các acid amin trong khoang gắn kết của hai phân nhóm ER. Các acid amin quan trọng tham gia tạo liên kết hydro này được trình bày trong bảng 2. Các acid amin này có định hướng tương tự nhau trong khoang gắn kết của ER alpha và ER beta, duy chỉ khác nhau về trình tự đánh số ở mỗi thụ thể. Bảng 2. Các acid amin quan trọng tham gia hình thành liên kết hydro trong vùng tác động của hai phân nhóm ER ER alpha ER beta Glu353 His524 Arg394 Gly521 Leu387 Glu305 His475 Arg346 Gly472 Leu339 JMC-01 BMCL-01 Genistein Hình 1. Hai phân tử đơn giản nhất của 2 nhóm dẫn chất tương đồng genistein Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Chuyên Đề Dược Học 356 Phân tích các phương thức gắn kết dự đoán bởi phép docking của 2 cấu trúc đơn giản nhất của cơ sở liệu - JMC-01 (dẫn chất 6- phenylnaphtalen) và BMCL-01 (dẫn chất 2- phenylquinolin) (hình 1) cho thấy 4 định hướng chính của các phối tử trong khoang gắn kết, gồm: (1) định hướng cùng chiều và tương đối chồng khít lên định hướng của phân tử genistein đồng kết tinh. (2) định hướng cùng chiều định hướng của phân tử genistein nhưng khung naphtalen xoay 180o quanh liên kết đơn nối với nhân phenyl. (3) định hướng ngược chiều và tương đối chồng khít lên định hướng của phân tử genistein đồng kết tinh. (4) định hướng ngược chiều định hướng của phân tử genistein và khung naphtalen xoay 180o quanh liên kết đơn nối với nhân phenyl. Hai định hướng đầu tiên của JMC-01 trong khoang gắn kết ER beta được biểu diễn ở hình 2. Các phương thức gắn kết từ kết quả docking của JMC-01 phù hợp với các dự đoán đã công bố của cấu trúc này.(6) A B Hình 2. Hai cấu dạng của JMC-01 trong khoang gắn kết của ER beta. (A) Định hướng (1); (B) Định hướng (2). Hình 3. Cấu dạng (2) của BMCL-01 trong khoang gắn kết cua ER beta Từ 2 phương thức gắn kết đầu tiên (1) và (2), tương ứng với định hướng (2), sự hiện diện của các nhóm thế khác nhau ở C1 và C8 của khung cấu trúc 6-phenylnaphtalen và C4 của khung cấu trúc 2-phenylquinolin tạo ra các tương tác tĩnh điện và tương tác Van der Walls khác nhau với 2 acid amin khác biệt trong khoang gắn kết của 2 phân nhóm ER.Thu được kết quả tương tự khi thế các nhóm thế khác nhau ở C4 của khung cấu trúc 6-phenylnaphtalen ở định hướng (1) trong khoang gắn kết của 2 phân nhóm ER. Các acid amin chủ chốt tham gia vào các tương tác này gồm Met336, Ile373 ở ER beta và Leu384, Met421 ở ER alpha. Các tương tác khác biệt với các acid amin này tạo ra sự chọn lọc trên từng phân nhóm ER.(10) Tuy nhiên, phép lọc «Refinement (Forcefield)» quá trình docking với phần mềm MOE 2008.10 được tiến hành theo phương thức ngẫu nhiên.11 Vậy nên các phương thức gắn kết của các dẫn chất tương đồng genistein với khoang gắn kết 2 phân nhóm ER sẽ được đi sâu C5 C4 C1 C8 C C Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Dược Học 357 tìm hiểu qua phép docking thực hiện bởi phần mềm FlexX/LeadIT 2.0.1 với các thuật toán sử dụng hệ thống hơn.(14) Kết quả docking thực hiện bởi phần mềm FlexX/LeadIT 2.0.1 Số cấu trúc được dock thành công vào khoang gắn kết của 2 phân nhóm ER được trình bày ở bảng 3. Kết quả này phù hợp với thực tế là thể tích khoang gắn kết của ER alpha lớn hơn của ER beta.(2) Bảng 3. Thống kê kết quả ‘docking’ thành công của các dẫn chất tương đồng genistein trên ER alpha và ER beta ER alpha ER beta Dẫn chất 6-phenyl naphtalen 68/68 66/68 Dẫn chất 2-phenyl quinolein 21/22 21/22 Phân tích mối liên hệ cấu trúc – ái lực với 2 phân nhóm ER được thực hiện trên các phân tử được dock thành công trên cả 2 phân nhóm ER, gồm: (i) Các dẫn chất 6-phenylnaphtalen - Vai trò của các nhóm chức OH - Vai trò của các nhóm thế ở C1 / naphtalen - Vai trò của các nhóm thế ở C8 / naphtalen -Vai trò của các nhóm thế trên nhân phenyl - Vai trò của các nhóm thế ở C4 / naphtalen - Ảnh hưởng của việc thế đồng thời ở C1 và C4 / naphtalen (ii) Các dẫn chất 2-phenylquinolin - Ảnh hưởng của việc thay nguyên tử Carbon C/ naphtalen bởi Nitơ N/ quinolin - Vai trò của các nhóm thế ở C4 / quinolin (tương ứng với C8 / naphtalen) - Vai trò của các nhóm thế ở C5 / quinolin (tương ứng với C1 / naphtalen) - Vai trò của các nhóm thế trên nhân phenyl. Cấu trúc đề nghị chọn lọc trên ER beta của các dẫn chất tương đồng genistein Từ việc phân tích các giá trị thực nghiệm IC50 và các phương thức gắn kết dự đoán bởi phép docking ở trên, một vài đặc tính cấu trúc trên khung cấu trúc cơ bản tương đồng genistein tiềm năng có lợi về mặt ái lực và tính chọn lọc trên ER beta được đề nghị ở hình 4. X C có lợi hơn N Các nhóm thế rút điện tử: -CN, -C=O, các nhóm chức mạch thẳng có số nguyên tử C ≤ 2 thuận lợi cho ái lực và tính chọn lọc trên ER beta. Halogen có tác dụng tốt trên ái lực, ngoài ra Cl còn có lợi cho tính chọn lọc trên ER beta F có lợi cho tính chọn lọc trên ER beta, tuy nhiên sự thế đồng thời 2 F ở C3’ và C5’ lại có ảnh hưởng xấu Sự thế đồng thời ở 2 vị trí này các nhóm thế có tác dụng tốt tương ứng với từng vị trí có tác dụng tốt trên tính chọn lọc trên ER beta Hình 4. Các biến đổi có lợi cho ái lực và tính chọn lọc trên ER beta KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, mô hình mô tả phân tử được thực hiện bởi 2 phần mềm MOE 2008.10 và FlexX/LeadIT 2.0.1 trên cấu trúc tinh thể đồng kết tinh của ER alpha và ER beta với 90 chất tương đồng genistein, gồm 68 dẫn chất 6- phenylnaphtalen và 22 dẫn chất 2- phenylquinolein. Với phần mềm MOE 2008.10, quá trình docking được tiến hành thành công với tất cả các dẫn chất trên cả 2 cấu trúc ER. Với phần mềm FlexX /LeadIT 2.0.1, trên ER beta có 3 phân tử không dock được vào khoang gắn kết. Kết quả docking này phù hợp với những thông tin đã được ghi nhận liên quan đến thể tích khoang gắn kết của hai phân nhóm ER. Mặt khác, các phương thức gắn kết của các phân tử khá tương hợp với giá trị thực nghiệm IC50 tương ứng. Điều này chứng tỏ độ tin cậy của mô hình, và cũng nhờ đó một số mối liên hệ cấu trúc - ái lực - tính chọn lọc ER beta đã được đề xuất trên khung cấu trúc tương đồng genistein. Để tái 3' 5' X HO OH Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 18 * Phụ bản của Số 2 * 2014 Chuyên Đề Dược Học 358 khẳng định các kết quả này cần dùng các phần mềm hỗ trợ docking khác để kiểm tra lại. Bên cạnh ý nghĩa học thuật, nghiên cứu này còn gợi ý việc xây dựng một quy trình docking sử dụng các phần mềm miễn phí và phát triển quy trình này ở quy mô phòng thí nghiệm. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Centre international de recherche sur le cancer (CIRC). Le programme des monographies du CIRC classe les contraceptifs œstroprogestatifs et l'hormonothérapie ménopausique comme cancérogène. Communiqué de presse 29 juillet 2005, No 167. 2. Harris HA, Albert LM, Leathurby Y; Malamas MS; Mewshaw RE; Miller CP; Kharode YP; Marzolf J; Komm BS.; Winneker RC.; Frail DE.; Henderson RA.; Zhu Y; Keith JC, Jr(2003) Evaluation of an estrogen receptor-beta agonist in animal models of human disease. Endocrinology 144: 4241–4249. 3. El-Shitany NA; Hegazy S; El-desoky K (2010) Evidences for antiosteoporotic and selective estrogen receptor modulator activity of silymarin compared with ethinylestradiol in ovariectomized rats. Phytomedicine, 17: 116-125. 4. Galluzzo P; Marino M (2006) Nutritional flavonoids impact on nuclear and extranuclear estrogen receptor activities. Genes & Nutrition, 1: 161-176. 5. Barkhem T; Carlsson B; Nilsson Y; Enmark E; Gustafsson JÅ; Nilsson S (1998) Differential response of estrogen receptor α andestrogen receptor β to partial estrogen agonists/antagonists. Mol. Pharmacol. 54: 105–112. 6. Mewshaw RE; Edsall RJ Jr; Yang C; Manas ES; Zhang BX; Henderson RA; Keith, JCJr; Harris HA(2005) ER β Ligands. 3. Exploiting two binding orientations of the 2-phenylnaphthalene scaffold to achieve ER β Selectivity. J. Med. Chem., 48: 3953- 3979. 7. Vu AT.; Cohn ST; Manas ES; Harris HA; Mewshaw RE (2005) ERb ligands. Part 4: Synthesis and structure–activity relationships of a series of 2-phenylquinoline derivatives. Bioorg. Med. Chem. Lett. 15: 4520–4525. 8. Protein Data Bank. (cập nhật 26/12/2011) 9. Manas ES; Xu ZB; Unwalla RJ; Somers WS (2004) Understanding the selectivity of genistein for human estrogen receptor- β using X-Ray crystallography and computational methods. Structure, 12: 2197–2207 10. Pike ACW; Brzozowski AM; Hubbard RE; Bonn T.Thorsell AG.; Engstrom O; Ljunggren J.; Gustafsson JK; Carlquist M (1999) Structure of the ligand-binding domain of oestrogen receptor beta in the presence of a partial agonist and a full antagonist. EMBO J. 18: 4608 – 4618. 11. MOE 2008.10 : Molecular Operating Environment (cập nhật 26/12/2011) 12. SYBYL-X 1.1 (cập nhật 26/12/2011) 13. FlexX / LeadIT 2.0.1 (cập nhật 26/12/2011) 14. Brooijmans N; Kuntz ID (2003) Molecular recognition and docking algorithms. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 32: 335- 373. Ngày nhận bài báo: 11.12.2012 Ngày phản biện nhận xét bài báo: 24.12.2012 Ngày bài báo được đăng: 10.03.2014