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Science子刊:从结构上揭示钙蛋白酶抑制剂双重抑制新冠病毒主蛋白酶和人类组织蛋白酶L机制,有助开发更有效的药物用于治疗新冠

来源:本站原创 2020-11-18 12:58

2020年11月18日讯/生物谷BIOON/---SARS-CoV-2是引起COVID-19疾病的呼吸道病毒,它通过多个步骤攻击人体。进入肺部深处的细胞和劫持人类宿主细胞的分子机器以产生病毒自身的副本是最早的两个步骤---这两个步骤对于病毒感染都是至关重要的。

在一项新的研究中,来自美国亚利桑那大学和南佛罗里达大学等研究机构的研究人员发现一些现有的化合物可以同时抑制SARS-CoV-2在人体细胞内复制所需的关键病毒蛋白--主蛋白酶(main protease, Mpro)和对病毒进入宿主细胞很重要的人类蛋白---组织蛋白酶L(cathepsin L),从而为设计针对COVID-19的抗病毒药物提供了启示。相关研究结果近期发表在Science Advances期刊上,论文标题为“Structure and inhibition of the SARS-CoV-2 main protease reveals strategy for developing dual inhibitors against Mpro and cathepsin L”。
图片来自Science Advances, 2020, doi:10.1126/sciadv.abe0751。

论文共同通讯作者、南佛罗里达大学摩萨尼医学院分子医学副教授Yu Chen博士说,“如果我们能够开发出关闭或显著减少这两个过程---病毒进入和病毒复制---的化合物,这种双重抑制可能会增强这些化合物在治疗冠状病毒感染方面的效力。打个比喻,这就像一石二鸟。”他擅长基于结构的药物设计。

这项新的研究建立之前的研究工作---鉴定出并分析了几种有前景的现有抗病毒药物作为治疗COVID-19的候选药物---的基础之上。所有被选中的候选药物都靶向Mpro,以阻断SARS-CoV-2在实验室培养的人类细胞内的复制。

其中两种化合物,即钙蛋白酶(calpain)抑制剂II和XII,在生化测试中对Mpro的活性不如另一种名为GC-376的候选药物。然而,论文第一作者、Chen博士实验室的博士生Michael Sacco说,钙蛋白酶抑制剂,特别是钙蛋白酶抑制剂XII,实际上比GC-376在细胞培养物中杀死SARS-CoV-2的效果更好。

Sacco说,“我们想,如果这些钙蛋白酶抑制剂不能那么有效地抑制这种冠状病毒的Mpro,那么它们一定是在做其他事情方能解释它们的抗病毒活性。”他们从其他研究小组所做的研究中了解到,钙蛋白酶抑制剂可以阻断其他的蛋白酶,包括组织蛋白酶L,这是一种参与介导SARS-CoV-2进入细胞的关键人类宿主蛋白酶。

在这项新的研究中,这些研究人员使用了先进的技术,特别是X射线晶体学技术,以直观地了解钙蛋白酶抑制剂II和XII如何与病毒蛋白Mpro相互作用。他们观察到,钙蛋白酶II抑制剂与预期的一样,贴合到位于SARS-CoV-2 Mpro表面的靶结合位点上。出乎意料的是,他们还发现钙蛋白酶XII抑制剂采用了一种独特的构型---称为“倒置的结合姿势(inverted binding pose)”,以紧密地贴合在Mpro的活性结合位点上。(紧密贴合优化了这种抑制剂与靶病毒蛋白之间的相互作用,降低了协助SARS-CoV-2增殖的Mpro的活性)。

Chen博士说,“我们的研究结果为我们在未来如何设计更好的抑制剂来靶向这种关键病毒蛋白提供了有用的结构信息。”

Chen博士说,除了同时靶向病毒蛋白酶Mpro和人类组织蛋白酶L提高效力(以较低的剂量获得理想的药物效果)外,双重抑制剂的另一个好处是它们有潜力抑制耐药性。

SARS-CoV-2会发生突变,这可能会改变它的靶基因序列。这些病毒突变会欺骗人体细胞,让这种病毒附着在细胞表面膜上并导入它的遗传物质到细胞中,并能改变病毒蛋白的形状以及它们与细胞内其他分子(包括抑制剂)的相互作用方式。

当SARS-CoV-2发生突变以便继续增殖时,它可能会对某种抑制剂产生抵抗性,从而降低这种化合物的有效性。换句话说,如果这种病毒的靶基因序列(锁)发生变化,那么钥匙(抑制剂)就不再适合那把特定的锁。但是假设同一把钥匙可以打开两把锁,以帮助阻止这种病毒感染;在这种情况下,这两把锁是Mpro(病毒靶蛋白)和组织蛋白酶 L(人类靶蛋白)。

Chen博士说,“这种病毒很难同时改变两把锁(两个药物靶标)。因此,双重抑制剂使得抗病毒药物耐药性更难形成,这是因为即便这个病毒靶蛋白发生变化,这种类型的化合物对没有发生变化的人类宿主蛋白仍然有效。”

这些研究人员继续对现有的抗病毒候选药物进行微调,以改善它们的稳定性和性能,并希望将他们所学到的知识应用于帮助设计新的COVID-19药物。他们的下一步研究工作将包括解决钙蛋白酶抑制剂如何在化学和结构上与组织蛋白酶L相互作用。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Michael Dominic Sacco et al. Structure and inhibition of the SARS-CoV-2 main protease reveals strategy for developing dual inhibitors against Mpro and cathepsin L. Science Advances, 2020, doi:10.1126/sciadv.abe0751.

2.Study reveals strategy to create COVID-19 drugs to inhibit virus's entry and replication
https://medicalxpress.com/news/2020-11-reveals-strategy-covid-drugs-inhibit.html


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