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

Marina Macchiagodena, Marco Pagliai+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2020

Computational Drug Discovery Methods参考文献 8被引用 28

一句话总结

本研究采用基于结构的配体设计、分子对接和分子动力学模拟，利用SARS-CoV-2 3CLpro主蛋白酶的6LU7晶体结构，鉴定出非共价抑制剂。最有效的结合配体为氯苯基-吡啶基-羧酰胺衍生物，其芳香环呈伪线性排列，表现出稳定的结合，证实其作为抗病毒药物开发先导化合物的潜力。

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.

研究动机与目标

• 通过计算方法鉴定可抑制SARS-CoV-2 3CLpro主蛋白酶的非共价先导化合物。
• 研究SARS-CoV与SARS-CoV-2 3CLpro之间在结构和能量上的相似性，以实现交叉抑制剂设计。
• 通过分子动力学模拟验证最佳对接配体的稳定性和结合模式。
• 探讨可旋转键和芳香环结构在形成与蛋白酶活性口袋稳定、高亲和力相互作用中的作用。
• 为针对新兴冠状病毒病毒蛋白酶的快速抗病毒药物发现提供计算框架。

提出的方法

• 使用SARS-CoV-2 3CLpro的6LU7 PDB结构进行虚拟筛选和多模式基于结构的配体设计。
• 采用AutoDock4.2进行分子对接，网格中心位于(-10.18, 20.65, 66.75)，网格间距为0.375 Å，尺寸为60×60×60。
• 使用遗传算法进行配体结合构象的优化，评估次数为2,500,000次，共27,000代。
• 在NPT系综中使用GROMACS 2018.3进行120 ns的分子动力学模拟，采用SPC/E水模型和周期性边界条件。
• 应用LINCS算法约束所有X-H键，并使用粒子网格Ewald（PME）方法处理静电作用，网格间距为1.2 Å。
• 在MD模拟的前55 ns内，分析了最优配体与关键活性位点残基（如CYS145、HIS41、GLU166）之间的径向分布函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过基于结构的计算方法有效鉴定SARS-CoV-2 3CLpro的非共价抑制剂？
• RQ2 尽管序列存在微小差异，SARS-CoV与SARS-CoV-2 3CLpro的配体结合模式和亲和力有多相似？
• RQ3 在最优配体中，哪些结构特征有助于其在3CLpro活性口袋中实现稳定结合？
• RQ4 催化性CYS-HIS二聚体的质子化状态是否显著影响配体结合亲和力？
• RQ5 分子动力学模拟能否证实最有效对接配体在3CLpro结合口袋中的长期稳定性？

主要发现

• 在6LU7结构中，最有效对接的配体（氯苯基-吡啶基-羧酰胺衍生物）的结合亲和力为-8.31 kcal/mol。
• 分子动力学模拟证实，最优配体在55 ns内保持稳定结合，与CYS145和HIS41等关键残基的径向分布函数保持一致。
• 最优配体共享一种共同的结合模式，其特征为通过可旋转键连接的芳香环呈伪线性排列。
• 对接结果表明，无论CYS-HIS二聚体的质子化状态如何，SARS-CoV与SARS-CoV-2 3CLpro的结合模式均极为相似。
• SARS-CoV与SARS-CoV-2 3CLpro的底物结合口袋高度对齐，关键残基如GLU166以及HIS163/HIS172形成保守的结合凹槽。
• 得分最高的化合物（化合物80，-8.31 kcal/mol）在整个MD模拟过程中与MET49、HIS41、CYS145和GLU166保持稳定相互作用。