[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过全原子分子动力学模拟，在SARS-CoV-2受体ACE2中鉴定出一个可药物化折叠中间体，揭示了隐藏的口袋结构，可作为干扰ACE2成熟过程的靶点。虚拟筛选将抗疟药物美时洛秦重新定位为潜在抑制剂，可能通过干扰其折叠途径减少ACE2表达，从而提供一种新型宿主导向抗病毒策略。

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.

研究动机与目标

• 鉴定SARS-CoV-2宿主受体ACE2折叠途径中的新型可药物化靶点。
• 探索通过靶向折叠中间体实现ACE2表达翻译后调控的策略。
• 通过识别干扰ACE2折叠和成熟过程的现有化合物，加速药物再利用。
• 验证计算折叠模拟在发现宿主导向抗病毒药物方面的潜力。

提出的方法

• 开展全原子分子动力学模拟，以绘制ACE2完整折叠途径。
• 通过模拟轨迹的结构分析，识别出具有隐蔽、可药物化口袋的瞬态折叠中间体。
• 应用虚拟筛选，以鉴定出的口袋为靶点，对化合物库进行筛选，以优先选择潜在抑制剂。
• 利用计算药理学评估命中化合物的结合亲和力和成药性，重点关注已获批的FDA药物。
• 通过计算机模拟评估所鉴定化合物对ACE2成熟和表达的影响。
• 利用对喹啉类药物的已有知识，优先选择美时洛秦等候选药物进行后续实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 ACE2折叠途径中是否存在一个可药物化的折叠中间体，可作为抑制其成熟过程的靶点？
• RQ2 对ACE2中间体中的可药物化口袋进行虚拟筛选，能否识别出可减少ACE2表达的现有药物？
• RQ3 喹啉类抗疟药如美时洛秦是否在计算机模拟中干扰ACE2的折叠和成熟过程？
• RQ4 计算模拟蛋白质折叠途径是否能揭示超越病毒蛋白的新型宿主导向抗病毒靶点？
• RQ5 靶向宿主蛋白折叠中间体作为阻断SARS-CoV-2入侵的策略，其潜力如何？

主要发现

• 鉴定出ACE2的一个瞬态折叠中间体，其暴露了在完全折叠的天然状态下不可见的隐蔽、可药物化口袋。
• 虚拟筛选活动成功将美时洛秦优先列为顶级命中化合物，因其预测可结合至这些隐蔽口袋。
• 美时洛秦（一种喹啉衍生物）被预测可结合至折叠中间体，可能干扰ACE2的成熟过程。
• 本研究证明，靶向宿主蛋白折叠中间体是实现ACE2翻译后下调的可行策略。
• 结果表明，美时洛秦可能不仅通过已知机制发挥抗病毒作用，还通过干扰ACE2折叠发挥新作用机制，提供一种新型作用机制。
• 计算方法可通过聚焦宿主蛋白的动态结构特征，实现对现有药物的快速再利用。