[논문 리뷰] Targeting Receptor Binding Domain and Cryptic Pocket of Spike glycoprotein from SARS-CoV-2 by biomolecular modeling

Kewin Otazu, Manuel Enrique Chenet Zuta외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 11.

Computational Drug Discovery Methods인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 생분자 모델링을 통해 SARS-CoV-2 스플라인 단백질의 수용체 결합 도메인(RBD)과 N-말단 도메인(NTD)의 은폐된 틈새에 각각 작용하는 두 가지 유망한 약물 후보물질인 TCMDC-124223과 TCMDC-133766을 규명하였다. 이 화합물들은 대조 약물인 허스페리딘과 에모딘보다 뛰어난 결합 친화도를 보이며, ACE2 상호작용과 세포막 융합에 필수적인 구조적 변화를 차단하여 바이러스의 세포 침입을 상호보완적으로 억제할 잠재력이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• SARS-CoV-2 스플라인 당단백질의 수용체 결합 도메인(RBD)을 표적으로 삼아 바이러스 침입을 억제할 수 있는 저분자량 화합물을 규명하는 것.
• 스플라인 단백질의 N-말단 도메인(NTD)에 존재하는 은폐된 이소성 부위를 새로운 약물 표적으로 삼을 수 있는지 탐색하는 것.
• ACE2 인식에 관여하는 핵심 잔기들과의 상호작용 메커니즘과 결합 친화도를 평가하는 것.
• 분자 도킹을 통해 규명된 화합물의 억제 능력을 FDA 승인 약물(허스페리딘과 에모딘)과 비교하는 것.
• SARS-CoV-2 스플라인 단백질을 표적으로 삼는 합리적인 약물 설계를 위한 피포포어 모델 기반 근거를 제공하는 것.

제안 방법

• SARS-CoV-2 스플라인 단백질의 RBD 및 은폐된 NTD 부위를 대상으로 The Patris Box 소속 1,000개 화합물의 가상 스크리닝 수행 (PDB: 6VSB).
• AutoDock Vina를 사용한 분자 도킹 시뮬레이션을 통해 RBD 및 은폐된 부위의 핵심 잔기들과의 결합 친화도 및 상호작용 방식 예측.
• RBD-ACE2 상호작용 부위의 핵심 잔기들(예: N487, Y489, K417, Y83)과의 수소 결합, 비극성 및 극성 상호작용 분석.
• 상위 화합물의 결합 자유 에너지(ΔG) 평가 및 대조 화합물(허스페리딘 및 에모딘)과의 비교.
• 피포포어 모델링 및 리드 최적화를 위한 상위 화합물 내 공통 기능기(예: 2차 아민, 수산기, 카복아민) 식별.
• SARS-CoV-2 스플라인-ACE2 복합체의 기존 구조 데이터(PDB: 6VSB)를 활용해 표적 부위 선정 및 검증 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 The Patris Box 소속 화합물 중 SARS-CoV-2 스플라인 단백질의 수용체 결합 도메인(RBD)에 강한 결합 친화도를 보이는 것은 무엇인가?
• RQ2 스플라인 단백질의 N-말단 도메인(NTD)에 존재하는 은폐된 이소성 부위가 항바이러스 약물 개발의 실현 가능한 표적으로 기능할 수 있는가?
• RQ3 상위 화합물의 상호작용 특성은 대조 약물(허스페리딘 및 에모딘)과 비교해 결합 에너지 및 잔기 특이적 접촉 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ4 상위 화합물 내에서 유리한 결합에 기여하는 기능기는 무엇이며, 향후 피포포어 모델링에 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ5 RBD와 은폐된 NTD 부위를 동시에 표적으로 삼는 전략은 바이러스 침입 억제에 상호보완적 효과를 낼 수 있는가?

주요 결과

• TCMDC-124223은 RBD에 대해 가장 높은 결합 친화도를 보이며, 결합 자유 에너지가 -10.25 kcal/mol이었고, 대조 화합물(허스페리딘: -5.62 kcal/mol, 에모딘: -2.46 kcal/mol)을 뛰어넘었다.
• TCMDC-124223은 RBD의 핵심 잔기인 N487과 Y489와 수소 결합을 형성하였고, ACE2 인식에 필수적인 K417과도 비극성 상호작용을 보였다.
• TCMDC-133766은 은폐된 NTD 부위에 대해 가장 높은 친화도를 보이며, 결합 자유 에너지가 -10.66 kcal/mol이었고, 이는 이소성 억제의 강력한 잠재력을 시사한다.
• 8개의 화합물이 Y489와 비극성 상호작용을 형성하였고, 6개는 N487과 수소 결합을 형성하여 ACE2-RBD 상호작용 부위의 간섭 가능성을 시사하였다.
• 상위 화합물들은 모두 2차 아민, 수산기, 카복아민 등의 기능기를 共통적으로 보이며, 이는 피포포어 모델링 및 리드 최적화에 적합한 특성이다.
• 이 연구는 RBD와 은폐된 NTD 부위를 동시에 표적으로 삼아 바이러스 침입을 더 효과적으로 차단할 수 있는 상호보완적 치료 전략의 가능성을 규명하였다.