Protein tiền chất amyloid là gì? Các nghiên cứu khoa học

Định nghĩa và phân loại

Protein tiền chất amyloid (APP – Amyloid Precursor Protein) là một glycoprotein xuyên màng type I, được mã hóa bởi gene APP nằm trên nhánh dài của nhiễm sắc thể số 21 (vị trí 21q21.3). APP được biểu hiện rộng rãi ở nhiều mô, nhưng có nồng độ cao nhất tại hệ thần kinh trung ương, đặc biệt trong neuron của vùng vỏ não và vùng hải mã (hippocampus), là những khu vực liên quan đến trí nhớ và học tập.

APP không chỉ đơn thuần là tiền chất của β-amyloid (Aβ)—một phân tử then chốt trong bệnh Alzheimer—mà còn đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh lý thần kinh, từ phát triển neuron đến truyền tín hiệu nội bào. Tên gọi "protein tiền chất amyloid" bắt nguồn từ khả năng tạo ra các peptide amyloidogenic thông qua quá trình phân cắt enzym nội bào.

Ở người, APP tồn tại dưới ba dạng isoform chính, được đặt tên dựa trên độ dài axit amin:

• APP695: dạng chủ yếu ở neuron, không chứa miền ức chế protease loại Kunitz (KPI domain).
• APP751 và APP770: biểu hiện ở tế bào ngoại vi và trong glia, chứa miền KPI có khả năng ức chế các enzyme protease như trypsin.

Bảng dưới đây so sánh các isoform chính của APP:

Isoform	Chiều dài (aa)	Vị trí biểu hiện	Miền KPI
APP695	695	Neuron	Không
APP751	751	Tế bào ngoại vi, glia	Có
APP770	770	Đa mô	Có

Các isoform này xuất hiện do quá trình ghép mảnh exon (alternative splicing) trong phiên mã RNA. Sự phân bố khác biệt của các dạng APP gợi ý vai trò mô chuyên biệt và có thể liên quan đến đặc điểm bệnh học khác nhau ở từng mô.

Cấu trúc và xử lý phân cắt

APP có cấu trúc điển hình của một protein xuyên màng type I, gồm ba vùng chính: vùng ngoài màng (extracellular), vùng xuyên màng (transmembrane) và đuôi trong bào tương (cytoplasmic tail). Vùng ngoài màng chiếm phần lớn tổng chiều dài và bao gồm hai miền cấu trúc quan trọng: E1 và E2. Miền E1 chứa GFLD (growth factor-like domain) và CuBD (copper-binding domain), có chức năng gắn ion kim loại và protein ngoại bào. Vùng E2 giúp APP dimer hóa và tương tác với các phân tử ngoài màng.

Vùng xuyên màng chứa trình tự Aβ, kéo dài từ phần cuối E2 xuyên qua màng lipid kép. Đoạn đuôi trong bào tương chứa mô típ YENPTY có vai trò quan trọng trong tín hiệu nội bào, liên kết với các protein như Fe65, Dab1, Mint1/2 giúp APP định vị, vận chuyển và tái hấp thu tại synapse.

APP bị phân cắt proteolytically theo hai con đường cạnh tranh nhau:

• Non-amyloidogenic pathway: bắt đầu bằng việc cắt bởi enzyme α-secretase (ADAM10 hoặc ADAM17) tại vùng giữa trình tự Aβ, do đó không tạo Aβ. Quá trình tạo ra mảnh sAPPα hòa tan và C-terminal fragment α (CTF-α).
• Amyloidogenic pathway: bắt đầu bởi β-secretase (BACE1), tạo sAPPβ và fragment C99 (CTF-β), sau đó cắt bởi γ-secretase tạo thành Aβ (gồm Aβ40, Aβ42) và AICD (APP intracellular domain).

Các bước phân cắt được biểu diễn bởi công thức:

$\text{APP} \xrightarrow[\alpha]{\text{non-amylo}} \text{sAPPα} + \text{CTFα} \quad\text{or}\quad \text{APP} \xrightarrow[\beta]{\text{amylo}} \text{sAPPβ} + \text{CTFβ} \xrightarrow[\gamma]{} \text{Aβ} + \text{AICD}$

Điều này cho thấy rằng chính lựa chọn con đường phân cắt sẽ quyết định APP trở thành yếu tố bảo vệ thần kinh hay nhân tố bệnh lý. Các sản phẩm của quá trình cắt như sAPPα có tác dụng tăng sinh, chống apoptosis, trong khi Aβ lại có khả năng kết tụ thành mảng amyloid ngoại bào, gây tổn thương neuron.

Chức năng sinh lý

Dù APP nổi tiếng với vai trò trong bệnh Alzheimer, nó thực chất là một protein đa chức năng trong sinh lý thần kinh. sAPPα—sản phẩm của con đường không tạo amyloid—được xem là yếu tố bảo vệ neuron với nhiều vai trò:

• Thúc đẩy tăng trưởng neurite và định hướng phát triển neuron mới.
• Chống lại tín hiệu apoptosis trong các điều kiện stress oxy hóa hoặc kích thích glutamate độc tế bào.
• Tăng cường tín hiệu học tập qua đường MAPK/ERK và PI3K/Akt, thúc đẩy hình thành synapse mới.

APP còn tham gia vận chuyển ion kim loại như Fe²⁺, Cu²⁺ nhờ vùng CuBD, điều hòa cân bằng oxi hóa-khử tại synapse. Nó tương tác với các kênh ion và protein vận chuyển, hỗ trợ cân bằng nội bào và đáp ứng viêm thần kinh.

Đặc biệt, Aβ và sAPPα đã được chứng minh có tính kháng khuẩn tự nhiên. Các nghiên cứu gần đây cho rằng Aβ có thể đóng vai trò tương tự như peptide kháng khuẩn (AMP), tham gia vào hệ miễn dịch bẩm sinh của não bộ khi bị nhiễm trùng hay stress vi sinh.

Vai trò trong bệnh Alzheimer

APP giữ vị trí trung tâm trong giả thuyết amyloid về bệnh Alzheimer (AD). Theo mô hình này, khi APP bị phân cắt bởi β- và γ-secretase, sản phẩm là Aβ—đặc biệt là dạng Aβ42 dễ kết tụ—sẽ tạo thành mảng amyloid (plaques) ngoài tế bào. Các mảng này làm gián đoạn truyền dẫn synapse, hoạt hóa viêm thần kinh, dẫn đến thoái hóa và chết neuron.

Đột biến gene APP (như KM670/671NL – mutation "Swedish", V717I) có thể làm tăng tốc độ sản xuất Aβ hoặc chuyển hướng tạo Aβ42 nhiều hơn. Các đột biến này được tìm thấy trong dạng bệnh Alzheimer khởi phát sớm di truyền (early-onset familial AD – EOFAD). Chúng đóng vai trò xác nhận mối liên hệ nhân quả giữa Aβ và bệnh học AD.

Chiến lược điều trị đang được phát triển nhằm can thiệp vào quá trình phân cắt của APP, gồm:

1. Ức chế β-secretase (BACE1 inhibitors) để ngăn tạo Aβ.
2. Ức chế γ-secretase hoặc điều chỉnh vị trí cắt để giảm sản xuất Aβ42.
3. Kích hoạt α-secretase (ví dụ bằng các chất như retinoid hoặc statin) để ưu tiên tạo sAPPα.

Dù nhiều thử nghiệm lâm sàng gặp thất bại, mô hình amyloid vẫn là hướng chính để phát triển thuốc điều trị AD do vai trò then chốt của APP và các sản phẩm phân cắt của nó.

Ứng dụng nghiên cứu và mô hình động vật

APP là mục tiêu chính trong nghiên cứu thần kinh học phân tử, đặc biệt thông qua việc xây dựng các mô hình động vật nhằm mô phỏng bệnh lý Alzheimer và phân tích vai trò sinh lý của APP. Một trong những mô hình thường dùng là chuột knock-out gen APP (APP−/−), qua đó các nhà khoa học đã chứng minh rằng sự mất APP dẫn đến giảm hình thành synapse, giảm độ dẻo thần kinh và các vấn đề về trí nhớ ngắn hạn.

Tuy nhiên, vì APP có các đồng phân liên quan như APLP1 và APLP2 (APP-like proteins), nên khi chỉ knock-out APP đơn lẻ, các hiệu ứng bù trừ từ hai protein kia có thể che lấp tác dụng sinh học thực sự. Do đó, các mô hình kép APP/APLP2−/− được tạo ra để nghiên cứu sự mất mát toàn diện chức năng của nhóm protein này. Kết quả cho thấy các mô hình kép này dẫn đến tử vong phôi thai hoặc bất thường phát triển hệ thần kinh trung ương, cho thấy vai trò không thể thay thế của APP trong giai đoạn phát triển thần kinh.

Với các mô hình chuột transgenic, việc biểu hiện APP đột biến (chẳng hạn như APPswe, APPV717I, hoặc APPLon) giúp mô phỏng chính xác sự hình thành mảng amyloid trong mô não, cho phép nghiên cứu động học tích tụ Aβ, phản ứng viêm, mất synapse và suy giảm nhận thức. Những mô hình này là cơ sở cho việc đánh giá hiệu quả các loại thuốc điều trị mới.

Cơ chế tín hiệu của AICD và điều hòa biểu hiện gen

Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân cắt APP – ngoài Aβ – là đoạn trong bào tương AICD (APP intracellular domain), có vai trò như một yếu tố truyền tín hiệu nội bào. AICD có thể tương tác với các protein gắn như Fe65 và Tip60, sau đó di chuyển vào nhân tế bào và điều hòa phiên mã gen.

Trong bối cảnh sinh lý, AICD được chứng minh là có khả năng kích hoạt biểu hiện của nhiều gene liên quan đến phát triển thần kinh và đáp ứng stress như EGR1 (early growth response protein 1), c-Fos và BDNF (brain-derived neurotrophic factor). Những yếu tố này rất quan trọng trong việc duy trì độ dẻo của synapse, học tập và ghi nhớ.

Tuy nhiên, khi AICD tích tụ bất thường, chúng có thể làm tăng biểu hiện của các gene liên quan đến apoptotic và pro-inflammatory pathways, từ đó làm nặng thêm tiến trình thoái hóa thần kinh trong bệnh Alzheimer. Một số bằng chứng cho thấy AICD có thể tham gia vào quá trình phosphoryl hóa Tau protein – một đặc điểm bệnh học song song của Alzheimer cùng với mảng amyloid.

Chức năng miễn dịch và tính chất kháng khuẩn

Một khía cạnh nghiên cứu mới nổi là vai trò miễn dịch của APP và các sản phẩm phân cắt của nó. Cụ thể, peptide Aβ được chứng minh có cấu trúc beta-sheet tương tự như peptide kháng khuẩn tự nhiên (antimicrobial peptides – AMP), và có thể gắn kết và tiêu diệt vi sinh vật thông qua thay đổi tính thấm màng vi khuẩn.

Nghiên cứu công bố trên Nature năm 2016 chỉ ra rằng Aβ có thể ngăn chặn vi khuẩn như Candida albicans, E. coli, Listeria monocytogenes thông qua cơ chế tạo mạng lưới amyloid dày đặc bao quanh mầm bệnh. Đây được xem là phản ứng miễn dịch bẩm sinh của hệ thần kinh, đặc biệt trong não – nơi có hàng rào máu não hạn chế xâm nhập tế bào miễn dịch truyền thống.

sAPPα cũng có hoạt tính kháng viêm rõ rệt, bằng cách ức chế hoạt động của NF-κB và giảm tiết cytokine tiền viêm như IL-1β và TNF-α. Chính vì vậy, APP và các đoạn phân cắt không chỉ là yếu tố thần kinh học mà còn có tiềm năng ứng dụng trong miễn dịch học và điều trị các bệnh viêm hệ thần kinh trung ương.

Chiến lược điều trị nhắm vào APP

Sự phức tạp của quá trình phân cắt APP cùng tính hai mặt của các sản phẩm từ APP khiến việc điều trị bệnh Alzheimer trở nên thách thức. Một số chiến lược nổi bật đang được thử nghiệm bao gồm:

• Ức chế BACE1: nhằm chặn con đường amyloidogenic. Tuy nhiên, việc ức chế BACE1 quá mức gây tác dụng phụ nghiêm trọng, do enzyme này còn tham gia nhiều quá trình sinh lý khác ngoài việc phân cắt APP.
• Điều biến γ-secretase: nhằm giảm tỷ lệ tạo Aβ42 mà không ảnh hưởng các chức năng sinh lý khác. Tuy nhiên, γ-secretase còn phân cắt Notch – một protein thiết yếu cho sự phát triển, khiến thuốc điều biến loại này gặp trở ngại lớn.
• Kích thích α-secretase: tăng phân cắt theo hướng có lợi, sinh ra sAPPα và giảm Aβ. Một số chất như retinoic acid, muscarinic agonists, và statins đã được chứng minh có thể điều hòa tăng α-secretase trong mô hình chuột.

Bên cạnh đó, liệu pháp miễn dịch nhắm vào Aβ hoặc APP (anti-Aβ antibodies, anti-APP vaccines) cũng được phát triển nhằm loại bỏ hoặc trung hòa Aβ từ tuần hoàn hoặc mô não. Các kháng thể đơn dòng như aducanumab, lecanemab hiện đang trong các giai đoạn thử nghiệm khác nhau, tuy có tiềm năng nhưng vẫn còn gây tranh cãi về tính hiệu quả lâm sàng.

Tóm tắt (Executive Summary)

APP là một glycoprotein xuyên màng quan trọng, đóng vai trò then chốt trong sự phát triển, bảo vệ và tái tạo tế bào thần kinh. Quá trình phân cắt APP có thể tạo ra các sản phẩm mang đặc tính sinh lý có lợi như sAPPα, hoặc gây độc như Aβ nếu bị rối loạn, dẫn đến bệnh Alzheimer. Các mô hình động vật và nghiên cứu phân tử đã chứng minh chức năng rộng của APP từ tín hiệu nội bào đến miễn dịch. Việc nhắm vào quá trình xử lý APP là một trong những hướng chủ lực để phát triển thuốc điều trị Alzheimer và các rối loạn thoái hóa thần kinh khác.