[論文レビュー] A computational insight of the improved nicotine binding with ACE2-SARS-CoV-2 complex with its clinical impact

Selvaa Kumar C, Senthil Arun Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2020

SARS-CoV-2 and COVID-19 Research参考文献 26被引用数 7

ひとこと要約

このインシリコ研究では、ニコチンが、保存されたアミノ酸残基（Asp382、Gly405、His378、Tyr385、His401）との相互作用を安定化させることで、SARS-CoV-2のACE2への結合を妨げる可能性を調査した。ニコチンはACE2–S1の親和エネルギーを−15.7 kcal/molから−12.6 kcal/molに低下させ、界面面積も減少させたが、一方でACE2–SARS-CoV-2複合体への結合親和エネルギーは−6.33 kcal/mol、阻害率定数は22.95 µMを示し、競合的干渉によるウイルスの病原性低減の可能性が示唆された。

ABSTRACT

Smokers being witnessed with the mild adverse clinical symptoms of SARS-CoV-2, the in-silico study is intended to explore the effect of nicotine binding to the soluble angiotensin converting enzyme II (ACE2) receptor with or without SARS-CoV-2 binding. Nicotine established a stable interaction with the conserved amino acid residues: Asp382, Gly405, His378 and Tyr385 through His401 of the soluble ACE2 that seals its interaction with the INS1. Also, nicotine binding has significantly reduced the affinity score of ACE2 with INS1 to -12.6 kcal/mol (versus -15.7 kcal/mol without nicotine) and the interface area to 1933.6 square Angstrom (versus 2057.3 square Angstrom without nicotine). Nicotine exhibited a higher binding affinity score with ACE2-SARS-CoV-2 complex with -6.33 kcal/mol (Vs -5.24 kcal/mol without SARS-CoV-2) and a lowered inhibitory contant value of 22.95 micromolar (Vs 151.69 micromolar without SARS-CoV). Eventhough ACE2 is not a potential receptor for nicotine binding in the healthy people, in COVID19 patients, it may exhibit better binding affinity with the ACE2 receptor. In overall, nicotines strong preference for ACE2-SARS-CoV-2 complex might drastically reduce the SARS-CoV-2 virulence by intervening the ACE2 conserved residues interaction with the spike (S1) protein of SARS-CoV-2.

研究の動機と目的

• SARS-CoV-2感染の文脈において、ニコチンがACE2に結合する分子機構を調査すること。
• ニコチンがACE2とSARS-CoV-2スパイクタンパク質（S1）の間の親和エネルギーに与える影響を評価すること。
• ニコチンがACE2と相互作用する臨床的意義をCOVID-19患者に適用すること。
• ニコチンがACE2のコンformationを安定化させることで、SARS-CoV-2の侵入を競合的に阻害できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 分子ドッキングシミュレーションを実施し、SARS-CoV-2 S1タンパク質を含むか否かにかかわらず、可溶性ACE2へのニコチン結合を分析した。
• 親和エネルギー（kcal/mol）と界面面積（Ų）を計算し、結合安定性と相互作用強度を定量化した。
• 阻害率定数（Ki）を算出し、ニコチンがACE2–S1相互作用を遮断する能力を評価した。
• アミノ酸残基レベルの相互作用解析により、ニコチン–ACE2結合に関与する主要な保存されたアミノ酸（Asp382、Gly405、His378、Tyr385、His401）を同定した。
• ACE2単体、ACE2–S1複合体、ACE2–S1–ニコチン三量体複合体の間で比較分析を実施した。
• 計算モデルツールを用いて、構造的ダイナミクスと結合エネルギープロファイルを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニコチンは、SARS-CoV-2スパイクタンパク質（S1）と複合体を形成したACE2に優先的に結合するか？
• RQ2 ニコチンの結合は、ACE2とS1タンパク質間の親和エネルギーにどのように影響を与えるか？
• RQ3 ニコチンの結合は、ACE2とS1の界面面積にどのような影響を与えるか？
• RQ4 ニコチンは、ACE2–S1相互作用の阻害率定数（Ki）を低下させることができるか？これは、より強い遮断能力を示唆する。
• RQ5 SARS-CoV-2のACE2を介したウイルス侵入をニコチンが干渉する構造的根拠は存在するか？

主な発見

• ニコチンがACE2に結合することで、ACE2–S1の親和エネルギーが−15.7 kcal/molから−12.6 kcal/molに低下し、相互作用が弱まった。
• ニコチン結合に伴い、ACE2とS1の界面面積は2057.3 Ųから1933.6 Ųに減少し、結合安定性が低下したと示唆された。
• ニコチンは、ACE2–SARS-CoV-2複合体への親和エネルギーが−6.33 kcal/molであり、SARS-CoV-2が存在しない状態の−5.24 kcal/molよりも顕著に高い親和性を示した。
• ACE2–S1相互作用を阻害するニコチンの阻害率定数（Ki）は22.95 µMであり、SARS-CoV-2が存在しない状態の151.69 µMよりも顕著に低く、より強い阻害効果を示した。
• ACE2に存在する主要な保存アミノ酸（Asp382、Gly405、His378、Tyr385、His401）が、ニコチン結合と安定化に重要な役割を果たすことが同定された。
• 本研究では、COVID-19患者においてACE2がニコチン結合を強化する可能性があり、競合的干渉によってSARS-CoV-2の病原性が低減する可能性が示唆された。