[論文レビュー] Inhibition of the Main Protease 3CL-pro of the Coronavirus Disease 19 via Structure-Based Ligand Design and Molecular Modeling

Marina Macchiagodena, Marco Pagliai+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2020

Computational Drug Discovery Methods参考文献 8被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、6LU7結晶構造を用いて、構造基盤のリガンド設計、分子ドッキング、および分子動力学シミュレーションを組み合わせ、SARS-CoV-2 3CLpro メインプロテアーゼの非共有結合阻害剤を同定した。最も効果的な結合体であるクロロフェニルピリジルカルボキサミド誘導体は、芳香族モietiesが擬似直線的配置を示し、安定した結合を示し、抗ウイルス薬開発のリード化合物としての可能性を裏付けた。

ABSTRACT

We have applied a computational strategy, based on the synergy of virtual screening, docking and molecular dynamics techniques, aimed at identifying possible lead compounds for the non-covalent inhibition of the main protease 3CL-pro of the SARS-Cov2 Coronavirus. Based on the recently resolved 6LU7 PDB structure, ligands were generated using a multimodal structure-based design and then optimally docked to the 6LU7 monomer. Docking calculations show that ligand-binding is strikingly similar in SARS-CoV and SARS-CoV2 main proteases, irrespectively of the protonation state of the catalytic CYS-HIS dyad. The most potent docked ligands are found to share a common binding pattern with aromatic moieties connected by rotatable bonds in a pseudo-linear arrangement. Molecular dynamics calculations fully confirm the stability in the 3CL-pro binding pocket of the most potent binder identified by docking, namely a chlorophenyl-pyridyl-carboxamide derivative.

研究の動機と目的

• 計算手法を用いて、SARS-CoV-2 3CLpro メインプロテアーゼを阻害する非共有結合性リード化合物を同定すること。
• SARS-CoV と SARS-CoV-2 3CLpro 間の構造的・エネルギー的類似性を調査し、クロス阻害剤設計に活用すること。
• 分子動力学シミュレーションを用いて、上位ドッキングされたリガンドの安定性および結合モードを検証すること。
• 回転可能な結合と芳香族モietiesがプロテアーゼ活性部位における安定的で高親和性の相互作用を形成する役割を調査すること。
• 新興コロナウイルスのウイルスプロテアーゼを標的にする迅速な抗ウイルス薬の発見を支援する計算フレームワークを提供すること。

提案手法

• SARS-CoV-2 3CLpro の 6LU7 PDB 構造を用いて、仮想スクリーニングおよびマルチモーダル構造基盤のリガンド設計を実施した。
• AutoDock4.2 を用いて分子ドッキングを実施し、グリッド中心を (-10.18, 20.65, 66.75) に設定し、60×60×60 のグリッド間隔を 0.375 Å とした。
• リガンド結合姿勢の最適化のため、2,500,000 回の評価と 27,000 世代の遺伝的アルゴリズムを採用した。
• GROMACS 2018.3 を用いて、NPT 系で 120 ns の分子動力学シミュレーションを実施し、SPC/E 水モデルと周期的境界条件を適用した。
• すべての X-H 結合を制約するため LINCS アルゴリズムを適用し、静電気的相互作用には粒子-メッシュ Ewald (PME) を用い、1.2 Å のグリッド間隔とした。
• MD シミュレーションの 55 ns 開始後に、上位リガンドとキーリジス残基（例：CYS145, HIS41, GLU166）間の径方向分布関数を解析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造基盤の計算手法を用いて、SARS-CoV-2 3CLpro に対する非共有結合阻害剤を効果的に同定できるか？
• RQ2 わずかな配列差異があるにもかかわらず、SARS-CoV と SARS-CoV-2 3CLpro 間でリガンドの結合モードと親和性はどの程度類似しているか？
• RQ3 上位リガンドに見られる、3CLpro 活性部位における安定な結合をもたらす構造的特徴は何か？
• RQ4 触媒的 CYS-HIS ダイアドのプロトン化状態が、リガンドの結合親和性に顕著な影響を及えるか？
• RQ5 分子動力学シミュレーションは、3CLpro 結合ポケット内での最も効果的なドッキングされたリガンドの長期的安定性を確認できるか？

主な発見

• 最も効果的なドッキングされたリガンドであるクロロフェニルピリジルカルボキサミド誘導体は、6LU7 構造において -8.31 kcal/mol の結合親和性を示した。
• 分子動力学シミュレーションにより、上位リガンドが 55 ns 開始後も安定した結合を示し、CYS145 や HIS41 といったキーリジス残基との径方向分布関数が一貫して維持された。
• 上位リガンドは、擬似直線的配置を示す回転可能な結合で接続された芳香族モieties を共有する共通の結合パターンを示した。
• ドッキング結果から、SARS-CoV と SARS-CoV-2 3CLpro 間で、CYS-HIS ダイアドのプロトン化状態に関係なく、顕著に類似した結合モードが観察された。
• SARS-CoV と SARS-CoV-2 3CLpro の基質結合ポケットは顕著に一致しており、GLU166 や HIS163/HIS172 といったキーリジスが保存された結合くぼみを形成していた。
• ドッキングスコアが最も高い化合物（化合物 80、-8.31 kcal/mol）は、MD シミュレーション全期間を通じて MET49, HIS41, CYS145, GLU166 と安定した相互作用を維持した。