Β secretase là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về β-secretase

β-secretase, hay còn gọi là BACE1 (Beta-site APP Cleaving Enzyme 1), là một enzyme thuộc nhóm protease aspartyl có chức năng xúc tác quá trình cắt protein tiền chất amyloid (APP – amyloid precursor protein) tại vị trí đặc hiệu trong chuỗi peptide. Phản ứng này là bước đầu tiên trong quá trình sinh tổng hợp amyloid-β (Aβ) – thành phần chính hình thành nên các mảng amyloid trong não của bệnh nhân Alzheimer. Enzyme này được phát hiện vào cuối những năm 1990 và nhanh chóng trở thành trọng tâm trong các nghiên cứu về cơ chế bệnh sinh của Alzheimer do vai trò khởi phát trong con đường amyloidogenic.

BACE1 là một enzyme nội bào xuyên màng, có mặt chủ yếu trong hệ thống Golgi, endosome và lysosome. Enzyme này được tổng hợp ở mạng lưới nội chất thô, trải qua quá trình biến đổi sau dịch mã, rồi được vận chuyển đến các bào quan khác nhau để thực hiện chức năng xúc tác. BACE1 có khả năng hoạt động ở pH acid, điều này giải thích tại sao nó hoạt động mạnh trong endosome và lysosome, nơi môi trường acid thuận lợi cho quá trình cắt APP. Ngoài BACE1, còn tồn tại một đồng dạng ít phổ biến hơn là BACE2, tuy nhiên enzyme này có chức năng sinh học khác biệt và không trực tiếp tham gia vào quá trình hình thành amyloid.

Sự biểu hiện của BACE1 thường cao trong mô thần kinh, đặc biệt ở vùng vỏ não và hồi hải mã – những khu vực chịu ảnh hưởng mạnh trong bệnh Alzheimer. Trong điều kiện sinh lý bình thường, mức độ hoạt động của BACE1 được kiểm soát chặt chẽ, đảm bảo duy trì sự cân bằng giữa con đường sinh amyloid và không sinh amyloid. Tuy nhiên, trong bệnh lý thần kinh, sự mất cân bằng này dẫn đến tăng sản xuất amyloid-β, gây độc tế bào thần kinh.

Đặc điểm phân tử và cấu trúc của β-secretase

Về mặt cấu trúc, BACE1 là một glycoprotein xuyên màng loại I có chiều dài 501 acid amin. Cấu trúc của enzyme bao gồm ba vùng chính: vùng ngoại bào chứa trung tâm hoạt động, vùng xuyên màng alpha-helix, và đuôi cytoplasmic ngắn ở phía trong tế bào. Trung tâm hoạt động của enzyme gồm hai gốc aspartate (Asp32 và Asp228), đây là đặc trưng của họ aspartyl protease, chịu trách nhiệm cho cơ chế xúc tác thông qua việc hoạt hóa phân tử nước để thủy phân liên kết peptide trong APP.

BACE1 được glycosyl hóa tại nhiều vị trí, giúp ổn định cấu trúc không gian và điều hòa khả năng gắn kết với cơ chất. Ngoài ra, enzyme còn có các vị trí phosphoryl hóa và palmitoyl hóa ảnh hưởng đến vị trí định vị trong màng tế bào và mức độ hoạt động. Nhờ những đặc điểm này, BACE1 có thể được điều chỉnh linh hoạt bởi các tín hiệu nội bào và trạng thái stress oxy hóa của tế bào thần kinh.

Các nghiên cứu tinh thể học tia X đã xác định cấu trúc ba chiều của BACE1, cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế thuốc ức chế chọn lọc. BACE1 có cấu trúc hình “mỏ chim” với hai tiểu đơn vị tạo thành khe xúc tác sâu, nơi cơ chất APP gắn kết. Sự hiểu biết chi tiết về cấu trúc này đã giúp các nhà khoa học phát triển các hợp chất nhỏ có khả năng bám vào trung tâm hoạt động, ức chế enzyme hiệu quả. Dữ liệu cấu trúc này có thể tham khảo tại Protein Data Bank.

Thành phần cấu trúc	Chức năng
Vùng ngoại bào	Chứa trung tâm hoạt động và vị trí gắn cơ chất
Vùng xuyên màng	Giúp cố định enzyme trên màng tế bào
Đuôi cytoplasmic	Điều hòa quá trình vận chuyển nội bào

Vai trò sinh lý của β-secretase

Mặc dù được biết đến nhiều nhất với vai trò trong bệnh Alzheimer, BACE1 vẫn đảm nhận nhiều chức năng sinh lý quan trọng trong cơ thể. Nó tham gia xử lý nhiều protein màng khác ngoài APP, bao gồm neuregulin-1, L1CAM, và Sez6. Các protein này liên quan mật thiết đến sự phát triển, duy trì và tái tạo hệ thần kinh trung ương. Do đó, việc loại bỏ hoàn toàn hoạt tính của BACE1 có thể dẫn đến rối loạn phát triển thần kinh, như đã được chứng minh trong các mô hình chuột knockout BACE1, nơi động vật biểu hiện rối loạn dẫn truyền thần kinh và giảm tạo bao myelin.

BACE1 cũng có vai trò trong điều hòa tín hiệu synapse. Enzyme này kiểm soát mức độ của các protein bề mặt neuron, ảnh hưởng đến độ nhạy cảm của synapse với chất dẫn truyền thần kinh. Ngoài ra, BACE1 tham gia vào việc kiểm soát phản ứng miễn dịch trong não, tác động gián tiếp đến hoạt động của tế bào vi thần kinh (microglia) và astrocyte. Khi BACE1 hoạt động quá mức, phản ứng viêm có thể bị kích hoạt mạnh, gây tổn thương mô thần kinh.

Một số nghiên cứu cũng cho thấy BACE1 có thể ảnh hưởng đến chuyển hóa lipid và cân bằng năng lượng, thông qua tương tác với các protein vận chuyển cholesterol màng. Điều này gợi ý rằng enzyme không chỉ giới hạn chức năng trong hệ thần kinh mà còn có vai trò điều hòa trao đổi chất nội bào ở mức hệ thống.

• Điều hòa hình thành bao myelin và tái tạo sợi trục
• Ảnh hưởng đến tín hiệu synapse và dẻo synapse
• Điều hòa phản ứng viêm thần kinh
• Tác động đến cân bằng lipid và năng lượng tế bào

Quá trình cắt APP và hình thành amyloid-β

APP (amyloid precursor protein) là một glycoprotein xuyên màng có trong hầu hết các tế bào, đặc biệt ở tế bào thần kinh. Quá trình xử lý APP có thể diễn ra theo hai con đường: con đường không sinh amyloid (non-amyloidogenic) và con đường sinh amyloid (amyloidogenic). Trong con đường không sinh amyloid, enzyme α-secretase cắt APP ở vị trí giữa vùng amyloid, tạo ra sản phẩm sAPPα hòa tan và đoạn còn lại C83, không sinh amyloid-β. Ngược lại, trong con đường sinh amyloid, BACE1 cắt APP ở đầu N của vùng amyloid, tạo sAPPβ và mảnh còn lại C99, sau đó γ-secretase tiếp tục cắt để giải phóng amyloid-β.

Phản ứng có thể biểu diễn như sau:

$APP \xrightarrow{\text{BACE1}} sAPP\beta + C99$

$C99 \xrightarrow{\gamma\text{-secretase}} A\beta + AICD$

Aβ được tạo ra có chiều dài khác nhau, phổ biến là Aβ40 và Aβ42, trong đó Aβ42 dễ kết tụ thành oligomer và mảng amyloid hơn, gây độc tế bào thần kinh mạnh hơn. Các mảng amyloid này là dấu hiệu bệnh lý đặc trưng của bệnh Alzheimer, gây rối loạn dẫn truyền thần kinh và mất dần chức năng nhận thức.

Con đường xử lý APP	Enzyme tham gia	Sản phẩm chính	Hậu quả
Không sinh amyloid	α-secretase	sAPPα, C83	Bảo vệ tế bào thần kinh
Sinh amyloid	β-secretase + γ-secretase	Aβ, AICD	Hình thành mảng amyloid

Sự mất cân bằng giữa hai con đường này – cụ thể là tăng hoạt động BACE1 hoặc giảm hoạt động α-secretase – dẫn đến tích tụ amyloid-β. Vì vậy, việc điều chỉnh BACE1 được xem là mục tiêu trọng tâm trong phát triển thuốc chống Alzheimer.

Liên quan giữa β-secretase và bệnh Alzheimer

β-secretase (BACE1) là enzyme khởi phát con đường sinh amyloid – một trong những cơ chế trung tâm trong giả thuyết amyloid về bệnh Alzheimer. Khi hoạt động của BACE1 tăng cao, APP bị cắt ở vị trí không phù hợp, dẫn đến hình thành các mảnh amyloid-β, đặc biệt là Aβ42 – loại dễ kết tụ và có độc tính cao với tế bào thần kinh. Các mảng amyloid-β tích tụ trong mô não không chỉ làm gián đoạn dẫn truyền synapse mà còn kích hoạt các phản ứng viêm thần kinh mãn tính, từ đó gây ra thoái hóa thần kinh tiến triển.

Trong các nghiên cứu mô não sau tử vong, người ta nhận thấy mức độ biểu hiện của BACE1 tăng cao ở vùng vỏ não và hồi hải mã của bệnh nhân Alzheimer so với người bình thường. Ngoài ra, nồng độ sAPPβ – sản phẩm trực tiếp của hoạt động BACE1 – cũng tăng trong dịch não tủy của bệnh nhân ở giai đoạn sớm. Điều này cho thấy sự hoạt hóa sớm của BACE1 có thể là một trong những yếu tố khởi phát bệnh lý thần kinh.

Nhiều yếu tố sinh học được cho là góp phần điều hòa hoạt động của BACE1:

• Stress oxy hóa và viêm tế bào thần kinh
• Rối loạn chuyển hóa lipid và cholesterol
• Đột biến gen APP hoặc presenilin
• Sự suy giảm tín hiệu insulin trong não

Tất cả các yếu tố trên đều có thể dẫn đến tăng biểu hiện hoặc hoạt động enzym của BACE1, làm tăng nồng độ Aβ và thúc đẩy tiến trình bệnh Alzheimer.

Chiến lược ức chế β-secretase trong điều trị Alzheimer

Với vai trò là điểm khởi đầu trong quá trình sinh amyloid, BACE1 trở thành mục tiêu hấp dẫn cho các chiến lược điều trị bệnh Alzheimer. Nhiều loại thuốc ức chế BACE1 đã được phát triển để ngăn chặn việc hình thành Aβ. Mục tiêu là giảm nồng độ Aβ trong dịch não tủy và mô não, từ đó làm chậm quá trình tiến triển bệnh. Tuy nhiên, kết quả lâm sàng cho đến nay phần lớn chưa đạt được kỳ vọng.

Các chất ức chế BACE1 từng được thử nghiệm bao gồm:

Tên hợp chất	Nhà phát triển	Giai đoạn	Kết quả
Verubecestat	Merck	Pha III	Dừng do thiếu hiệu quả và có tác dụng phụ
Lanabecestat	AstraZeneca & Eli Lilly	Pha III	Dừng do hiệu quả thấp
Atabecestat	Janssen	Pha II	Dừng do tăng độc tính gan

Lý do thất bại chủ yếu gồm: ức chế BACE1 gây ảnh hưởng đến các chức năng sinh lý bình thường của enzyme, đặc biệt ở hệ thần kinh; và thời điểm can thiệp thường quá muộn – khi bệnh đã ở giai đoạn tiến triển, tế bào thần kinh đã tổn thương nghiêm trọng và không thể phục hồi bằng việc chỉ giảm Aβ.

Các nghiên cứu gần đây chuyển hướng sang việc phát triển các chất ức chế chọn lọc một phần, chỉ ức chế một tỷ lệ hoạt động của BACE1 nhằm duy trì các chức năng sinh lý của enzyme. Một số hướng tiếp cận mới bao gồm:

• Ức chế chọn lọc isoform thần kinh của BACE1
• Điều chỉnh biểu hiện BACE1 qua RNAi hoặc antisense oligonucleotide
• Kết hợp liệu pháp BACE1 với kháng thể khử amyloid-β (như aducanumab)

Phương pháp phân tích và định lượng BACE1

Việc định lượng hoạt động BACE1 và các sản phẩm liên quan là bước thiết yếu trong nghiên cứu cũng như đánh giá hiệu quả điều trị. Một số phương pháp phổ biến hiện nay bao gồm:

• Western blot: Phát hiện và định lượng protein BACE1 trong mô hoặc tế bào.
• ELISA: Xác định nồng độ sAPPβ và amyloid-β trong dịch não tủy hoặc mẫu huyết tương.
• qPCR: Phân tích mức độ biểu hiện gen BACE1.
• Immunohistochemistry: Quan sát phân bố không gian của BACE1 trong mô não.

Các hãng công nghệ sinh học lớn như Thermo Fisher Scientific hoặc Bio-Techne hiện cung cấp bộ kit và kháng thể chuyên biệt để nghiên cứu BACE1. Ngoài ra, công nghệ chụp ảnh phân tử PET với đầu dò BACE1 đang được phát triển để quan sát hoạt động enzyme trong não sống người.

BACE2 và sự khác biệt với BACE1

BACE2 là enzyme đồng dạng với BACE1, có mức độ tương đồng trình tự amino acid khoảng 64%. Tuy nhiên, BACE2 không đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành amyloid-β. BACE2 được biểu hiện mạnh ở tụy, da và nhau thai, có liên quan đến quá trình biệt hóa tế bào sắc tố và kiểm soát chức năng nội tiết.

Sự hiện diện của BACE2 đặt ra thách thức trong thiết kế chất ức chế chọn lọc BACE1, bởi vì một số hợp chất có thể ức chế cả hai enzyme, dẫn đến các tác dụng phụ ngoài mong muốn. Các chiến lược hiện tại ưu tiên phát triển thuốc có độ chọn lọc cao, chỉ nhắm vào trung tâm hoạt động của BACE1, tránh ảnh hưởng đến BACE2.

Ứng dụng ngoài Alzheimer và nghiên cứu mở rộng

Dù phần lớn nghiên cứu tập trung vào bệnh Alzheimer, BACE1 cũng được khảo sát trong các lĩnh vực bệnh lý khác. Một số nghiên cứu cho thấy hoạt động BACE1 tăng cao có liên quan đến rối loạn chuyển hóa cholesterol, từ đó ảnh hưởng đến bệnh tim mạch. Bên cạnh đó, BACE1 còn tác động đến sự phát triển của các sợi trục thần kinh, quá trình tái tạo bao myelin, và dẫn truyền synapse – điều này cho thấy vai trò của enzyme trong các bệnh lý thần kinh ngoại biên hoặc tự miễn.

Các công nghệ mới, như trí tuệ nhân tạo (AI), mô hình học máy và mô hình cấu trúc protein, đang được tích hợp để sàng lọc các chất ức chế mới nhắm đích BACE1. Một ví dụ là sử dụng AlphaFold để dự đoán cấu trúc gắn kết chính xác của BACE1 với các chất ức chế tiềm năng. Nghiên cứu đăng trên Nature Biotechnology cho thấy tiềm năng ứng dụng mô hình AI trong phát triển thuốc nhắm trúng đích enzyme.

Tài liệu tham khảo

1. Vassar R, et al. Beta-secretase cleavage of Alzheimer's amyloid precursor protein by the transmembrane aspartic protease BACE. Science. 1999 Oct 22;286(5440):735-741. DOI: 10.1126/science.286.5440.735
2. Egan MF, et al. Randomized trial of verubecestat for prodromal Alzheimer’s disease. N Engl J Med. 2019;380(15):1408–1420. DOI: 10.1056/NEJMoa1812840
3. Yan R, Vassar R. Targeting the β secretase BACE1 for Alzheimer’s disease therapy. Lancet Neurol. 2014;13(3):319-329. DOI: 10.1016/S1474-4422(13)70276-2
4. Hampel H, et al. The β-Secretase BACE1 in Alzheimer’s disease. Biol Psychiatry. 2021;89(8):745-756. DOI: 10.1016/j.biopsych.2020.09.019
5. Ghosh AK, Osswald HL. BACE1 (β-secretase) inhibitors for the treatment of Alzheimer’s disease. Chem Soc Rev. 2014;43(19):6765-6813. DOI: 10.1039/C4CS00042A