Остановка SARS-CoV-2: блокировка его основной протеазы

Терапевтические подходы против коронавируса в основном были сосредоточены на блокировке взаимодействия его спайк-белка с рецептором ACE2 на клетках хозяина. Однако у SARS-CoV-2 есть несколько других критически важных белков, которые потенциально могут быть мишенями для лекарств, уже одобренных для борьбы с другими вирусами. Один из таких вирусных белков — основная протеаза (Mpro), необходимая для разделения вновь синтезированных полипептидов на функциональные компоненты.

Ученые из Департамента биофизики Всеиндийского института медицинских наук недавно протестировали несколько перспективных ингибиторов Mpro. Их результаты, опубликованные в журнале Американского химического общества ACS Omega, показывают, что препарат против ВИЧ кобицистат выглядит весьма многообещающе.

Поиск кандидатов

Исследование началось с известной 3D-структуры Mpro, что позволило использовать рациональный дизайн лекарств на основе структуры. Ученые провели виртуальный скрининг библиотеки одобренных лекарств из базы данных DrugBank, чтобы найти потенциальные ингибиторы Mpro. Для этого использовались исследования молекулярного докинга, где кандидаты отбирались по высокому значению GlideScore (чем отрицательнее значение, тем прочнее связывание). Этот эмпирический показатель учитывает вклад силового поля (электростатические, ван-дер-ваальсовы взаимодействия) и другие факторы, влияющие на связывание лиганда.

Для более точной оценки энергии связывания комплексов лиганд-белок применялся расширенный метод MM-PBSA (молекулярная механика — поверхность Пуассона-Больцмана). Он комбинирует расчеты на основе молекулярной механики с расчетами свободной энергии с использованием моделей неявного растворителя, оценивая разницу свободных энергий между комплексом и несвязанными компонентами.

Детальное моделирование и проверка

Для дальнейшего отбора кандидатов и сокращения списка молекул для экспериментальной проверки были проведены детальные молекулярно-динамические (MD) симуляции. Они учитывают гибкость белка и эффекты растворителя. Результаты представлены в виде графиков RMSD (среднеквадратичного отклонения) атомных позиций белкового остова, радиуса инерции и количества водородных связей в зависимости от времени симуляции (в наносекундах).

Ключевым этапом стало измерение реальной кинетики молекулярных взаимодействий с помощью SPR (поверхностного плазмонного резонанса). Этот метод позволяет получить сенсограммы и определить константы скорости ассоциации (kon) и диссоциации (koff) для связывания потенциального ингибитора с мишенью Mpro. На их основе рассчитывается константа равновесной диссоциации KD (M) по формуле: KD = koff/kon.

Результаты: кобицистат — лидер

После идентификации кобицистата как основного кандидата его способность ингибировать Mpro была проверена в ферментативном анализе. Поскольку мишень Mpro не адаптирована для SPR-анализа напрямую, авторы использовали универсальный тест на протеазную активность.

Было установлено значение IC50 для кобицистата — ∼6.7 µM. Этот показатель (концентрация, необходимая для 50%-ного ингибирования активности) оказался значительно лучше, чем у других потенциальных препаратов:

  • Кангрелор: 0.9 mM

  • Денуфозол: 1.3 mM

Важное преимущество и контекст

Установлено, что сайт расщепления, на который действует Mpro, отличается от сайтов для множества существующих человеческих протеаз. Это важно, поскольку препарат, блокирующий наши собственные протеазы, имел бы серьезные побочные эффекты. Другая протеаза SARS-CoV-2, PLpro, распознает важную молекулу убиквитин, и ее ингибирование могло бы нарушить работу наших критических деубиквитиназных систем.

Примечание о вакцинах

В контексте борьбы с COVID-19 происходят интересные разработки в сфере вакцин. Например, Берт Хьюберт инициировал публичный анализ того, как Pfizer оптимизировала свою mRNA-вакцину для трансляции в наших клетках, создав программистский челлендж по поиску алгоритма кодонной оптимизации последовательности вакцины длиной около 4000 символов. Другие конкурирующие mRNA-вакцины (например, от Moderna или CureVac), вероятно, очень похожи на вакцину Pfizer, хотя 33% кодонов в последовательности CureVac отличаются от таковых в BNT162b2.