[논문 리뷰] Inhibition of the Main Protease 3CL-pro of the Coronavirus Disease 19 via Structure-Based Ligand Design and Molecular Modeling

Marina Macchiagodena, Marco Pagliai외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 23.

Computational Drug Discovery Methods참고 문헌 8인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 6LU7 결정 구조를 사용하여 구조 기반 리간드 설계, 분자 도킹 및 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 SARS-CoV-2 3CLpro 주요 프로테아제의 비공유 결합 억제제를 규명한다. 가장 강력한 결합체인 클로로페닐-피리다인-카복사마이드 衍생체는 허위 선형 배열의 방향족 부분을 보이며 안정적인 결합을 보이며, 항바이러스 약물 개발의 리드 화합물로서의 잠재성을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 구조 기반 계산 방법을 사용하여 SARS-CoV-2 3CLpro 주요 프로테아제를 억제하는 비공유 리드 화합물을 규명하는 것.
• SARS-CoV와 SARS-CoV-2 3CLpro 간의 구조적 및 에너제틱 유사성을 조사하여 교차 억제제 설계를 위한 기초를 마련하는 것.
• 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 최상위 도킹된 리간드의 안정성과 결합 방식을 검증하는 것.
• 회전 가능한 결합과 방향족 부분이 프로테아제 활성 부위에 안정적이고 높은 친화도를 가진 상호작용을 형성하는 데 기여하는 방식을 탐색하는 것.
• 신속한 항바이러스 약물 개발을 위한 계산 기반 프레임워크를 제안하여 신종 코로나바이러스의 바이러스 프로테아제를 표적으로 삼는 것.

제안 방법

• SARS-CoV-2 3CLpro의 6LU7 PDB 구조를 기반으로 가상 스크리닝 및 다중 모드 구조 기반 리간드 설계를 수행하였다.
• AutoDock4.2를 사용하여 분자 도킹를 수행하였으며, 격자 중심은 (-10.18, 20.65, 66.75)로 설정하고 격자 간격은 0.375 Å로 60×60×60로 설정하였다.
• 리간드 결합 자세를 최적화하기 위해 2,500,000개의 평가와 27,000세대의 유전 알고리즘을 적용하였다.
• GROMACS 2018.3를 사용하여 NPT 상자에서 120 ns의 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였으며, SPC/E 수분 모델과 주기적 경계 조건을 적용하였다.
• 모든 X-H 결합을 제약하기 위해 LINCS 알고리즘을 적용하였고, 전기적 상호작용에는 입자-메쉬 에워즈(PME) 방법을 사용하였으며 격자 간격은 1.2 Å로 설정하였다.
• 분자 동역학 시뮬레이션 동안 상위 리간드와 핵심 활성 부위 잔기들(예: CYS145, HIS41, GLU166) 사이의 반경분포함수를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구조 기반 계산 방법을 사용하여 SARS-CoV-2 3CLpro에 대한 비공유 억제제를 효과적으로 규명할 수 있는가?
• RQ2 소수의 아미노산 서열 차이가 존재하더라도 SARS-CoV와 SARS-CoV-2 3CLpro 간의 리간드 결합 방식과 친화도는 얼마나 유사한가?
• RQ3 최상위 리간드에서 활성 부위에 안정적인 결합을 형성하는 데 기여하는 구조적 특징은 무엇인가?
• RQ4 촉매 작용을 하는 CYS-HIS 디아드의 프로톤화 상태가 리간드 결합 친화도에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ5 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 가장 강력한 도킹된 리간드가 3CLpro 결합 부위에서 장기적으로 안정적인가를 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 가장 강력한 도킹된 리간드인 클로로페닐-피리다인-카복사마이드 衍생체는 6LU7 구조에서 -8.31 kcal/mol의 결합 친화도를 보였다.
• 분자 동역학 시뮬레이션 결과, 상위 리간드가 55 ns 동안 안정적인 결합을 유지하였으며, CYS145 및 HIS41와 일관된 반경분포함수를 보였다.
• 상위 리간드들은 모두 방향족 부분이 유연한 결합을 통해 허위 선형 배열로 연결된 공통된 결합 패턴을 공윈다.
• 도킹 결과, CYS-HIS 디아드의 프로톤화 상태에 관계없이 SARS-CoV와 SARS-CoV-2 3CLpro 간에 놀라울 정도로 유사한 결합 방식을 보였다.
• SARS-CoV와 SARS-CoV-2 3CLpro의 기질 결합 부위는 매우 잘 정렬되어 있으며, GLU166 및 HIS163/HIS172와 같은 핵심 잔기들이 보존된 결합 홈을 형성한다.
• 도킹 점수 최고 기록(합성물 80, -8.31 kcal/mol)을 기록한 화합물은 MD 시뮬레이션 전반에 걸쳐 MET49, HIS41, CYS145 및 GLU166와 안정적인 상호작용을 유지하였다.