[논문 리뷰] Identification of a Druggable Intermediate along the Folding Pathway of the SARS-CoV-2 Receptor ACE2

Alberto Boldrini, Luca Terruzzi외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 28.

SARS-CoV-2 and COVID-19 Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 SARS-CoV-2 수용체인 ACE2의 접힘 중간체를 규명하기 위해 모든 원자 수준의 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여, ACE2의 성숙을 방해할 수 있는 숨겨진 구멍을 밝혀냈다. 가상 스크리닝을 통해 갱상벌제인 메플로퀸이 ACE2의 접힘 경로를 방해함으로써 ACE2 발현을 감소시킬 수 있는 잠재적 억제제로 재활용되었으며, 이는 새로운 숙주 유도 항바이러스 전략을 제시한다.

ABSTRACT

The steep climbing of victims caused by the new coronavirus disease 2019 (COVID-19) throughout the planet is sparking an unprecedented effort to identify effective therapeutic regimens to tackle the pandemic. The SARS-CoV-2 virus is known to gain entry into various cell types through the binding of one of its surface proteins (spike) to the host Angiotensin Converting Enzyme 2 (ACE2). Thus, the spike-ACE2 interaction represents a major target for vaccines and antiviral drugs. We recently described a novel method to pharmacologically down-regulate the expression of target proteins at the post-translational level. This technology builds on computational advancements in the simulation of folding mechanisms to rationally block protein expression by targeting folding intermediates, hence hampering the folding process. Here, we report the all-atom simulation of the entire sequence of events underlying the folding pathway of ACE2. Our data reveal the existence of a folding intermediate showing druggable pockets hidden in the native conformation. Both pockets were targeted by a virtual screening repurposing campaign aimed at quickly identifying drugs capable to decrease the expression of ACE2. Importantly, among the different virtual hits, we identified mefloquine, a quinoline-derivative belonging to a class of antimalaria agents (e.g. chloroquine and hydroxychloroquine) recently described for their effects on ACE2 maturation. Thus, our results suggest that these drugs could act against SARS-CoV-2 by altering the folding pathway of its receptor ACE2.

연구 동기 및 목표

• SARS-CoV-2의 숙주 수용체인 ACE2의 접힘 경로 내에서 새로운 약물로 사용 가능한 표적을 규명하는 것.
• 접힘 중간체를 표적으로 삼아 후성적 수정 전략을 통해 ACE2 발현을 감소시키는 방법을 탐색하는 것.
• ACE2의 접힘과 성숙에 간섭하는 기존 화합물을 규명함으로써 약물 재활용을 가속화하는 것.
• 계산 기반의 접힘 시뮬레이션을 통해 숙주 유도 항바이러스 치료제를 발견하는 잠재력을 검증하는 것.

제안 방법

• ACE2의 완전한 접힘 경로를 맵핑하기 위해 모든 원자 수준의 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 시뮬레이션 트래잭터리의 구조 분석을 통해 일시적인 접힘 중간체에서 나타나는 은폐된 약물로 사용 가능한 구멍을 식별하였다.
• 식별된 구멍을 표적으로 삼아 화합물 라이브러리에 대한 가상 스크리닝을 적용하여 잠재적 억제제를 우선순위 정렬하였다.
• 계산 기반 약리학을 활용하여 타겟 화합물의 결합 친화도와 약물 가능성 평가를 수행하였으며, 주로 FDA 승인 약물에 초점을 맞추었다.
• 이산 모델링을 통해 식별된 화합물이 ACE2의 성숙과 발현에 미치는 영향을 평가하였다.
• 퀴놀린 유도체 약물에 대한 이전 지식을 활용하여 메플로퀸과 같은 후보 물질을 실험적 후속 조치에 우선순위를 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ACE2 접힘 경로 상에 약물로 사용 가능한 접힘 중간체가 존재하는가? 이는 ACE2의 성숙을 억제하기 위해 표적으로 삼을 수 있는가?
• RQ2 ACE2 중간체의 약물로 사용 가능한 구멍을 대상으로 한 가상 스크리닝을 통해 기존 약물 중 ACE2 발현 감소에 기여할 수 있는 물질을 식별할 수 있는가?
• RQ3 퀴놀린 유도체 항말라리아 약물인 메플로퀸은 이산 모델링을 통해 ACE2의 접힘과 성숙에 간섭하는가?
• RQ4 단백질 접힘 경로의 계산 기반 시뮬레이션은 바이러스 단백질 외의 새로운 숙주 유도 항바이러스 표적을 밝힐 수 있는가?
• RQ5 숙주 단백질의 접힘 중간체를 표적으로 삼는 전략이 SARS-CoV-2 침입을 차단하는 데서의 잠재력은 무엇인가?

주요 결과

• 완전히 접힌 천연 상태에서는 보이지 않는 은폐된 약물로 사용 가능한 구멍을 노출하는 일시적인 ACE2 접힘 중간체가 식별되었다.
• 가상 스크리닝 캠패인은 이러한 은폐된 구멍에 대한 예측된 결합으로 인해 메플로퀸을 최우선 후보로 성공적으로 선별하였다.
• 퀴놀린 衍생체인 메플로퀸은 접힘 중간체에 결합할 것으로 예측되었으며, ACE2의 성숙을 방해할 가능성이 있다.
• 이 연구는 숙주 단백질의 접힘 중간체를 표적으로 삼는 것이 ACE2의 후성적 감소 조절을 위한 실현 가능한 전략임을 입증하였다.
• 결과적으로 메플로퀸은 알려진 메커니즘 외에도 ACE2의 접힘에 간섭함으로써 항바이러스 효과를 발휘할 수 있으며, 이는 새로운 작용 기전을 제시한다.
• 계산 기반 접근법은 숙주 단백질의 동적 구조적 특징에 초점을 맞춤으로써 기존 약물의 빠른 재활용을 가능하게 한다.