[論文レビュー] Modelling and docking of Indian SARS-CoV-2 spike protein 1 with ACE2: implications for co-morbidity and therapeutic intervention

Dhanashree D. Jagtap, Selvaa Kumar C+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2020

SARS-CoV-2 and COVID-19 Research参考文献 32被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、インド由来の変異株由来のSARS-CoV-2スパイクプロテイン1（S1）と、膜貫通型および可溶性のACE2との相互作用をモデル化し、糖尿病や高血圧などの合併症が感受性を高めるメカニズムを調査した。さらに、アジトロマイシンおよびヒドロキシクロロキンを可溶性ACE2とドッキングさせた結果、両薬物およびその代謝産物がS1-ACE2結合をアロステリックに調節することが判明し、これらの薬物がウイルス侵入を低減する可能性のある治療的メカニズムを示唆した。

ABSTRACT

Presently, India bears amongst the highest burden of non-communicable diseases such as diabetes mellitus (DM), hypertension (HT), and cardio vascular disease (CVD) and thus represents a vulnerable target to the SARS-CoV-2/COVID-19 pandemic. Involvement of the angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) in susceptibility to infection and pathogenesis by SARS-CoV-2 is currently an actively pursued research area. An increased susceptibility to infection in individuals with DM, HT and CVD together with higher levels of circulating ACE2 in these settings presents a scenario where interaction with soluble ACE2 may result in disseminated virus-receptor complexes that could enhance virus acquisition and pathogenesis. Thus, understanding the SARS-CoV-2 receptor binding domain-ACE2 interaction, both membrane bound and in the cell free context may contribute to elucidating the role of co-morbidities in increased susceptibility to infection and pathogenesis. Both Azithromycin and Hydroxychloroquine (HCQ) have shown efficacy in mitigating viral carriage in infected individuals. Furthermore, each of these compounds generate active metabolites which in turn may also modulate virus-receptor interaction and thus influence clinical outcomes. In this study, we model the structural interaction of S1 with both full-length and soluble ACE2. Additionally, therapeutic drugs and their active metabolites were docked with soluble ACE2 protein. Our results show that S1 from either of the reported Indian sequences can bind both full-length and soluble ACE2, albeit with varying affinity that can be attributed to a reported substitution in the RBD. Furthermore, both Azythromycin and HCQ together with their active metabolites can allosterically affect, to a range of extents, binding of S1 to ACE2.

研究の動機と目的

• 糖尿病、高血圧、虚血性心疾患などの合併症が、ACE2発現の変化によってSARS-CoV-2感染に対する感受性を高めるメカニズムを理解すること。
• インド由来のSARS-CoV-2スパイクプロテインS1サブユニットと、フルフレーム長ACE2および可溶性ACE2との構造的相互作用をモデル化すること。
• アジトロマイシンおよびヒドロキシクロロキン、ならびにその活性代謝産物が、アロステリック効果によってS1-ACE2結合を調節する可能性を評価すること。
• これらの相互作用がウイルス病原性および高リスク集団における治療的介入に与える影響を検討すること。

提案手法

• インド由来SARS-CoV-2変異株のS1サブユニットの3次元構造を、利用可能なスパイクプロテインのテンプレートに基づいて相同モデリングによって生成した。
• 分子ドッキングシミュレーションを実施し、S1とフルフレーム長ACE2および可溶性ACE2との間の結合親和定数および相互作用モードを予測した。
• アロステリック調節の可能性を評価するため、可溶性ACE2に対するアジトロマイシン、ヒドロキシクロロキン、およびその活性代謝産物のドッキング研究を拡張した。
• 構造的解析は、S1の受容体結合ドメイン（RBD）およびウイルス付着に関与するACE2の主要なアミノ酸残基に焦点を当てた。
• 報告されたRBD置換を有するS1変異株とないものとの間で、結合親和定数を比較分析した。
• 薬物結合に伴う結合エネルギーおよびコンformational安定性の変化を評価するために、計算ツールを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インド由来SARS-CoV-2変異株由来のS1サブユニットは、膜貫通型および可溶性ACE2とどのように構造的に相互作用するか？
• RQ2 インド由来SARS-CoV-2変異株に報告されたRBD置換は、S1とACE2間の結合親和定数に影響を及ぼすか？
• RQ3 アジトロマイシンおよびヒドロキシクロロキン、ならびにその活性代謝産物は、可溶性ACE2に結合可能であり、S1-ACE2相互作用を調節可能か？
• RQ4 これらの薬物は、ウイルス侵入を妨げる可能性があるACE2のアロステリックな構造変化をどの程度誘発するか？
• RQ5 これらの発見は、糖尿病や高血圧を有する人々にどのような意味を持つのか？

主な発見

• インド由来SARS-CoV-2変異株由来のS1サブユニットは、フルフレーム長ACE2および可溶性ACE2の両方と結合し、報告されたRBD置換によって結合親和定数が影響を受けることが判明した。
• インド由来SARS-CoV-2変異株のRBD置換は、ACE2との結合エネルギーおよび相互作用安定性に顕著な差を生じることが示された。
• アジトロマイシンおよびヒドロキシクロロキン、ならびにその活性代謝産物は、可溶性ACE2に異なるアロステリック部位に結合した。
• これらの薬物がACE2に結合することで、S1-ACE2相互作用を妨げる可能性のある構造的変化が誘発され、ウイルス侵入を低減する可能性のあるメカニズムを示唆した。
• 薬物およびその代謝産物間で、アロステリック調節の程度に差が認められ、治療的介入における差異ある可能性が示唆された。
• これらの発見は、合併症を有する人々における循環内ACE2の上昇が、安定したウイルス-受容体複合体形成を通じてウイルスの拡散を促進する要因である可能性を示唆している。