Chìa khóa chính của việc thanh thải LDL được khám phá: Chi tiết cấu trúc của sự gắn kết giữa apoB100-LDLR xuất hiện

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu đã làm sáng tỏ cơ sở cấu trúc của sự tương tác giữa apolipoprotein B100 (apoB100) với thụ thể lipoprotein mật độ thấp (LDLR) và các hàm ý của nó đối với sự hình thành dimer lipoprotein mật độ thấp (LDL) và bệnh tăng cholesterol gia đình (FH).

Bối cảnh
LDL đóng vai trò then chốt trong bệnh tim mạch, nguyên nhân chính gây tử vong và bệnh tật toàn cầu. Nó vận chuyển cholesterol, với phần lớn được thanh thải thông qua các LDLR trên tế bào gan. Các rối loạn chức năng LDLR hoặc các đột biến apoB100, như được thấy trong FH, dẫn đến tích tụ cholesterol lipoprotein mật độ thấp (LDL-C), kích hoạt xơ vữa động mạch. Các chất ức chế khử trùng hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A (statins), liệu pháp chính, làm giảm LDL-C bằng cách tăng cường biểu hiện LDLR, tuy nhiên nhiều đột biến liên quan đến FH vẫn thiếu sự hiểu biết về cơ chế. Vành đai β của apoB100, một cấu trúc liên tục lưỡng tính bao quanh lõi lipid LDL, đóng vai trò trung tâm trong việc gắn kết LDLR nhưng khó nghiên cứu do tính chất gấp cuộn phụ thuộc lipid và kích thước lớn. Cần thêm nghiên cứu để giải mã các cơ chế này và cải thiện việc phòng ngừa và điều trị bệnh tim mạch.

Về Nghiên Cứu
Nghiên cứu này đã sử dụng các kỹ thuật kính hiển vi điện tử cryo (cryo-EM) tiên tiến để làm sáng tỏ các tương tác giữa apoB100, LDL và LDLR. Các hạt lipoprotein mật độ thấp được tinh chế từ huyết tương người, được phân lập bằng phương pháp siêu ly tâm nổi tuần tự, và được đặc trưng hóa để chụp ảnh cryo-EM tối ưu. Vùng ngoại bào của LDLR, chứa một đột biến điểm đơn để tăng tính ổn định, được biểu hiện tái tổ hợp trong tế bào thận phôi thai người HEK293T. Một giàn giáo nanobody-legobody ái lực cao cũng được sử dụng để ổn định apoB100 và tạo điều kiện căn chỉnh hạt trong quá trình chụp ảnh.

Việc thu thập dữ liệu cryo-EM liên quan đến phân tích hạt đơn để xác định các tính năng cấu trúc của LDL, apoB100 và các phức hợp của chúng với LDLR. Các kỹ thuật tinh chỉnh lặp đi lặp lại đã tăng độ phân giải, cho phép mô hình hóa chi tiết vành đai β của apoB100 và hai giao diện gắn kết của nó với LDLR. Các thí nghiệm liên kết chéo đã xác nhận những phát hiện này, đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc của các mô hình.

Nghiên cứu đã đạt được các tái tạo độ phân giải cao của các phức hợp apoB100-LDLR bằng những phương pháp này, tiết lộ hai giao diện gắn kết quan trọng đối với sự dimer hóa lipoprotein mật độ thấp và chu trình LDLR.

Kết Quả Nghiên Cứu
LDLR, một protein màng xuyên막 loại 1 và thành viên của hệ gene thụ thể lipoprotein mật độ thấp, điều hòa sự dimer hóa của LDL. Vùng ngoại bào của nó bao gồm bảy module A của LDLR (LA1–LA7), ba module giống epidermal growth factor (EGF), một domain β-propeller, và một vùng O-glycosyl hóa. Vùng ngoại bào LDLR (axit amin 22–788) được biểu hiện tái tổ hợp và tinh chế để nghiên cứu cấu trúc, trong khi LDL được phân lập từ huyết tương người bằng siêu ly tâm nổi. Nghiên cứu đã xác nhận LDLR gắn LDL với ái lực cao, với các hằng số ly giải từ 1,2 đến 2,2 nM.

Sử dụng cryo-EM, LDLR được quan sát như một monomer khi cô lập nhưng tạo thành các phức hợp bậc cao khi gắn với LDL. Các phức hợp này cho thấy LDLR điều hòa sự dimer hóa LDL thông qua các tương tác tại hai vị trí gắn riêng biệt trên apoB100, protein cấu trúc chính của LDL. Một vị trí gắn liên quan đến các module LDLR từ LA3 đến LA7 và EGF-A tham gia vào một vùng vành đai β của apoB100, trong khi vị trí còn lại được hình thành bởi domain β-propeller của LDLR gắn với vùng đầu N-terminal của apoB100.

Các phân tích cấu trúc bổ sung của phức hợp LDL–LDLR cho thấy các hạt LDL dimer được kết nối bởi hai phân tử LDLR theo cấu hình 2:2:2 (LDL:LDLR:legobody). Sự sắp xếp này cho phép nội hóa trung gian thụ thể hiệu quả. Các tinh chỉnh cục bộ dữ liệu cryo-EM đã xác định vành đai β của apoB100 như một cấu trúc liên tục lưỡng tính được bọc quanh lõi lipid của LDL. Vành đai β bao gồm năm panel được nối bằng các vòng, với các khu vực then chốt đóng góp vào việc gắn kết LDLR. Những tính năng cấu trúc này phù hợp với các xét nghiệm chức năng và cung cấp cái nhìn sâu sắc về động học của chuyển hóa LDL.

Các đột biến FH được ánh xạ tại giao diện gắn kết LDLR–apoB100, làm sáng tỏ tác động của chúng đối với việc thanh thải LDL. Các đột biến như R3059C, K3394N và R3527Q, nằm trong vành đai β của apoB100, đã làm giảm đáng kể việc gắn và hấp thu LDL. Những phát hiện này xác nhận sự phá vỡ cơ chế do các đột biến FH gây ra, nhấn mạnh cơ sở cấu trúc của chức năng LDLR khiếm khuyết. Nghiên cứu nhấn mạnh vai trò quan trọng của LDLR trong sự dimer hóa LDL và hấp thu tế bào, cung cấp những cái nhìn cấu trúc về chu trình thụ thể và bệnh sinh của chứng tăng cholesterol.

Kết Luận
Bằng cách xác định hai giao diện gắn kết riêng biệt, những phát hiện đã xác nhận các cơ chế nằm dưới sự dimer hóa LDL, chu trình thụ thể và tác động của các đột biến FH. Những cái nhìn cấu trúc này làm nổi bật cách các rối loạn trong tương tác apoB100–LDLR góp phần làm tăng mức LDL-C và bệnh tim mạch. Việc khám phá ra hai vị trí gắn kết này cung cấp một khuôn khổ cơ chế cho các liệu pháp mục tiêu nhằm cải thiện việc thanh thải LDL và giảm các biến chứng liên quan đến tăng cholesterol.

Tham khảo tạp chí:
Reimund, M., Dearborn, A. D., Graziano, G., Lei, H., Ciancone, A. M., Kumar, A., Holewinski, R., Neufeld, E. B., J., F., Remaley, A. T., & Marcotrigiano, J. (2024). Cấu trúc của apolipoprotein B100 gắn với thụ thể lipoprotein mật độ thấp. Nature, 1-7. DOI: 10.1038/s41586-024-08223-0, https://www.nature.com/articles/s41586-024-08223-0

BS Lê Đình Sáng (Lược dịch)