[論文レビュー] Identification of a Druggable Intermediate along the Folding Pathway of the SARS-CoV-2 Receptor ACE2

Alberto Boldrini, Luca Terruzzi+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2020

SARS-CoV-2 and COVID-19 Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、全原子分子動力学シミュレーションを用いてSARS-CoV-2のレセプターACE2にドラッグ可能な折りたたみ中間体を同定し、ACE2成熟を阻害することができる隠れたパッチを明らかにした。バーチャルスクリーニングにより、抗マラリア薬のメプロキシンが再利用可能である可能性が示され、そのACE2の折りたたみ経路への干渉によってACE2発現が低下する可能性があり、宿主指向の新しい抗ウイルス戦略を提供する。

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.

研究の動機と目的

• SARS-CoV-2の宿主レセプターであるACE2の折りたたみ経路内に新たなドラッグ可能な標的を同定すること。
• 折りたたみ中間体を標的にすることで、翻訳後におけるACE2発現の低下を検討すること。
• ACE2の折りたたみおよび成熟に干渉する既存の化合物を同定することで、ドラッグ再利用を加速すること。
• 計算による折りたたみシミュレーションが、ウイルスタンパク質以外の宿主指向抗ウイルス薬剤の発見に有効であるかを検証すること。

提案手法

• ACE2の完全な折りたたみ経路をマップするために、全原子分子動力学シミュレーションを実施した。
• シミュレーショントラジェクトリの構造的解析を用いて、一時的で、隠れたドラッグ可能なパッチを有する折りたたみ中間体を同定した。
• 同定されたパッチを標的にして、化合物ライブラリに対するバーチャルスクリーニングを実施し、有望な阻害剤を優先順位付けした。
• 計算薬理学的手法を用いて、ヒット化合物の結合親和定数とドラッグアビリティを評価し、特にFDA承認薬に焦点を当てた。
• インシリコモデリングを用いて、同定された化合物がACE2成熟および発現に与える影響を評価した。
• キノリン誘導体の薬剤に関する先行知識を活用し、メプロキシンのような候補を実験的フォローアップの優先順位に上げた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ACE2の折りたたみ経路に、成熟を阻害できるドラッグ可能な折りたたみ中間体が存在するか？
• RQ2 ACE2の中間体に存在するドラッグ可能なパッチをバーチャルスクリーニングすることで、ACE2発現を低下させる既存の薬剤を同定できるか？
• RQ3 キノリン誘導体の抗マラリア薬、たとえばメプロキシンは、インシリコでACE2の折りたたみおよび成熟に干渉するか？
• RQ4 タンパク質の折りたたみ経路の計算シミュレーションは、ウイルスタンパク質以外の新たな宿主指向抗ウイルス標的を明らかにできるか？
• RQ5 宿主タンパク質の折りたたみ中間体を標的にすることは、SARS-CoV-2侵入を遮断する戦略として有効であるか？

主な発見

• 完全に折りたたまれた天然状態では見えないが、一時的なACE2折りたたみ中間体が、隠れたドラッグ可能なパッチを露出していることが同定された。
• バーチャルスクリーニングのキャンペーンにより、これらの隠れたパッチに予測される結合を示すメプロキシンが上位候補として特定された。
• キノリン誘導体のメプロキシンは、折りたたみ中間体に結合すると予測され、ACE2成熟の阻害に寄与する可能性がある。
• 本研究では、宿主タンパク質の折りたたみ中間体を標的にすることが、ACE2の翻訳後における低下に有効な戦略であることを示した。
• 結果から、メプロキシンは既知のメカニズムに加え、ACE2の折りたたみに干渉することで抗ウイルス効果を示す可能性があり、新たな作用機序を提供する。
• 計算アプローチにより、宿主タンパク質の動的構造的特徴に焦点を当てることで、既存薬の迅速な再利用が可能であることが示された。