[論文レビュー] Targeting Receptor Binding Domain and Cryptic Pocket of Spike glycoprotein from SARS-CoV-2 by biomolecular modeling

Kewin Otazu, Manuel Enrique Chenet Zuta+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Computational Drug Discovery Methods被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、バイオ分子モデリングを通じて、SARS-CoV-2スパイクたんぱく質のリセプター結合ドメイン（RBD）およびN末端ドメイン（NTD）のクリプティックなパッチを標的にする2つの有望なドラッグ候補（TCMDC-124223およびTCMDC-133766）を同定した。これらの化合物は、ヒスペリジンおよびエモジンという対照薬よりも優れた結合親和性を示しており、ACE2との相互作用を遮断し、膜融合に不可欠な構造変化を防ぐことで、ウイルス侵入の相乗的阻害が期待される。

ABSTRACT

SARS-CoV-2, the causative agent of the disease known as Covid-19, has so far reported around 3,435,000 cases of human infections, including more than 239,000 deaths in 187 countries, with no effective treatment currently available. For this reason, it is necessary to explore new approaches for the development of a drug capable of inhibiting the entry of the virus into the host cell. Therefore, this work includes the exploration of potential inhibitory compounds for the Spike protein of SARS-CoV-2 (PDB ID: 6VSB), which were obtained from The Patogen Box. Later, they were filtered through virtual screening and molecular docking techniques, thus obtaining a top of 1000 compounds, which were used against a binding site located in the Receptor Binding Domain (RBD) and a cryptic site located in the N-Terminal Domain (NTD), resulting in good pharmaceutical targets for the blocking the infection. From the top 1000, the best compound (TCMDC-124223) was selected for the binding site. It interacts with specific residues that intervene in the recognition and subsequent entry into the host cell, resulting in a more favorable binding free energy in comparison to the control compounds (Hesperidine and Emodine). In the same way, the compound TCMDC-133766 was selected for the cryptic site. These identified compounds are potential inhibitors that can be used for the development of new drugs that allow effective treatment for the disease.

研究の動機と目的

• SARS-CoV-2のスパイクグリコプロテインのリセプター結合ドメイン（RBD）を標的にすることで、ウイルス侵入を阻害できる低分子化合物の同定を目的とする。
• スパイクたんぱく質のN末端ドメイン（NTD）に存在するクリプティックなアルロステリック部位を、新たなドラッグ標的にする可能性を検討することを目的とする。
• ACE2認識に関与する主要なアミノ酸残基と相互作用を示す同定化合物の結合親和性および相互作用メカニズムを評価することを目的とする。
• 分子ドッキングを用いて、同定された化合物と、米国食品医薬品局（FDA）承認薬（ヒスペリジンおよびエモジン）との間の阻害能を比較することを目的とする。
• SARS-CoV-2スパイクたんぱく質を標的にする合理的なドラッグデザインのための薬効基盤を提供することを目的とする。

提案手法

• SARS-CoV-2スパイクたんぱく質のRBDおよびクリプティックなNTD部位（PDB: 6VSB）を標的にし、The Patris Boxに収録された1,000化合物をバーチャルスクリーニングした。
• AutoDock Vinaを用いた分子ドッキングシミュレーションにより、RBDおよびクリプティック部位における主要アミノ酸残基との結合親和性および相互作用モードを予測した。
• RBD-ACE2インターフェースに存在する主要なアミノ酸残基（例：N487、Y489、K417、Y83）との間の水素結合、疎水性、および極性相互作用を分析した。
• 上位化合物の結合自由エネルギー（ΔG）を評価し、対照化合物（ヒスペリジンおよびエモジン）と比較した。
• 上位ヒット化合物に共通する機能性基団（例：二次アミン、ヒドロキシル、カルボンアミン）を同定し、薬効基盤モデリングおよびリード最適化に活用した。
• SARS-CoV-2スパイク-ACE2複合体の既存の構造的データ（PDB: 6VSB）を活用して、標的部位の選定および検証を支援した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 The Patris Boxに収録された低分子化合物の中で、SARS-CoV-2スパイクたんぱく質のリセプター結合ドメイン（RBD）に強い結合親和性を示すものはどれか？
• RQ2 スパイクたんぱく質のN末端ドメイン（NTD）に存在するクリプティックなアルロステリック部位は、抗ウイルス薬開発の有効な標的になる可能性があるか？
• RQ3 上位化合物の結合相互作用は、ヒスペリジンおよびエモジンという対照薬と比較して、結合エネルギーおよびアミノ酸特異的接触の観点でどのように異なるか？
• RQ4 上位化合物に含まれるどの機能性基団が良好な結合を促進し、将来の薬効基盤モデリングに役立つと考えられるか？
• RQ5 RBDおよびクリプティックなNTD部位の二重標的化は、ウイルス侵入の相乗的阻害をもたらす可能性があるか？

主な発見

• TCMDC-124223は、RBDへの結合親和性が最も強く、結合自由エネルギーは-10.25 kcal/molであった。これは、対照薬（ヒスペリジン：-5.62 kcal/mol、エモジン：-2.46 kcal/mol）を上回っていた。
• TCMDC-124223は、ACE2認識に重要なRBDアミノ酸残基N487およびY489と水素結合を形成し、K417と疎水性相互作用を示した。
• TCMDC-133766は、クリプティックなNTD部位への結合親和性が最も高く、結合自由エネルギーは-10.66 kcal/molであった。これは、アルロステリック阻害の強い可能性を示している。
• 8つの化合物がY489と疎水性相互作用を示し、6つの化合物がN487と水素結合を形成した。これは、ACE2-RBDインターフェースへの干渉を示唆している。
• 上位化合物は、二次アミン、ヒドロキシル、カルボンアミンといった機能性基団を共通して有しており、これらは薬効基盤モデリングおよびリード最適化に適している。
• 本研究では、RBDおよびクリプティックなNTD部位を同時に標的にすることで、ウイルス侵入をより効果的に遮断する相乗的治療戦略の可能性が同定された。