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

Kewin Otazu, Manuel Enrique Chenet Zuta+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Computational Drug Discovery Methods被引用 4

一句话总结

本研究通过生物分子模拟识别出两种有前景的候选药物——TCMDC-124223 和 TCMDC-133766，分别靶向 SARS-CoV-2 刺突蛋白的受体结合结构域（RBD）和 N 末端结构域（NTD）中的隐蔽口袋。与对照药物（橙皮苷和大黄素）相比，这些化合物表现出更优的结合亲和力，表明其可通过阻断 ACE2 相互作用及膜融合所需的构象变化，实现协同抑制病毒进入。

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.

研究动机与目标

• 识别能够通过靶向刺突糖蛋白的受体结合结构域（RBD）来抑制 SARS-CoV-2 进入的小分子。
• 探索刺突蛋白 N 末端结构域（NTD）中的隐蔽别构位点作为新型药物靶点的潜力。
• 评估所识别化合物与参与 ACE2 识别的关键残基之间的结合亲和力和相互作用机制。
• 通过分子对接比较所识别化合物与美国食品药品监督管理局（FDA）批准的对照药物（橙皮苷和大黄素）的抑制潜力。
• 为靶向 SARS-CoV-2 刺突蛋白的理性药物设计提供基于药效团的依据。

提出的方法

• 针对 SARS-CoV-2 刺突蛋白的 RBD 和隐蔽 NTD 位点（PDB: 6VSB）对 1,000 种化合物进行虚拟筛选。
• 使用 AutoDock Vina 进行分子对接模拟，以预测与 RBD 和隐蔽位点关键残基的结合亲和力及相互作用模式。
• 分析配体与关键残基（如 ACE2 上的 N487、Y489、K417、Y83）在 RBD-ACE2 接口处的氢键、疏水和极性相互作用。
• 评估优选化合物的结合自由能（ΔG），并与对照化合物（橙皮苷和大黄素）进行比较。
• 识别优选命中化合物中的常见功能基团（如仲胺、羟基、胺基甲酸酯），用于药效团建模和先导化合物优化。
• 利用 SARS-CoV-2 刺突蛋白-ACE2 复合物的既定结构数据（PDB: 6VSB）指导靶点选择与验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自 The Patris Box 的哪些小分子对 SARS-CoV-2 刺突蛋白的受体结合结构域（RBD）表现出强烈的结合亲和力？
• RQ2 刺突蛋白 N 末端结构域（NTD）中的隐蔽别构位点是否可作为抗病毒药物开发的可行靶点？
• RQ3 优选化合物的结合相互作用与对照药物（橙皮苷和大黄素）相比，在结合能和残基特异性接触方面有何差异？
• RQ4 优选化合物中的哪些功能基团有助于有利结合，并可为未来药效团建模提供依据？
• RQ5 同时靶向 RBD 和隐蔽的 NTD 位点是否可导致病毒进入的协同抑制？

主要发现

• TCMDC-124223 对 RBD 的结合亲和力最强，结合自由能为 -10.25 kcal/mol，优于对照化合物（橙皮苷：-5.62 kcal/mol，大黄素：-2.46 kcal/mol）。
• TCMDC-124223 与关键 RBD 残基 N487 和 Y489 形成氢键，并与 K417 发生疏水相互作用，这些残基在 ACE2 识别中至关重要。
• TCMDC-133766 对隐蔽 NTD 位点的亲和力最高，结合自由能为 -10.66 kcal/mol，表明其具有强效别构抑制潜力。
• 八个化合物与 Y489 发生疏水相互作用，六个化合物与 N487 形成氢键，表明其可能干扰 ACE2-RBD 接口。
• 优选化合物共享如仲胺、羟基和胺基甲酸酯等功能基团，适合用于药效团建模和先导化合物优化。
• 本研究提出一种潜在的协同治疗策略，通过同时靶向 RBD 和隐蔽的 NTD 位点，更有效地阻断病毒进入。