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科学家成功解析新冠病毒主蛋白酶三维结构

2020-04-27

由上海科技大学饶子和/杨海涛团队与合作者组成的“抗新冠病毒攻关联盟”,率先在国际上成功解析新型冠状病毒关键药物靶点——主蛋白酶(Mpro)的高分辨率三维空间结构,并综合利用3种不同的药物发现策略,找到针对新冠病毒的潜在药物。
北京时间4月9日下午5点,经《自然》杂志邀请投稿,上述团队在该期刊上联合发表了这一最新成果。其中,上海科技大学为论文第一完成单位。


(左)新冠病毒主蛋白酶-抑制剂N3的复合物结构;(右)冠状病毒主蛋白酶的底物结合口袋是一个保守药物设计靶点

截至4月8日,全球累计确诊新冠肺炎约150万人,死亡人数超过8.7万人,已覆盖全球200多个国家和地区。
新型冠状病毒与严重急性呼吸道综合征冠状病毒(SARS-CoV)和中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)具有较近的亲缘关系,因缺乏特效药和疫苗,针对新型冠状病毒的药物靶点科研攻关及新药研发迫在眉睫。
新型冠状病毒非常“狡猾”,在入侵细胞后,会立即利用细胞内的物质合成自身复制必需的两条超长复制酶多肽(pp1a和pp1ab)。


这两条复制酶多肽需要被剪切成多个零件(如RNA依赖的RNA聚合酶、解旋酶等等);这些零件进一步组装成一台庞大的复制转录机器,然后病毒才能启动自身遗传物质的大量复制。两条复制酶多肽的剪切要求异常精确,因此病毒自身编码了一把神奇的“魔剪”——主蛋白酶(Mpro)。
这把“魔剪”在复制酶多肽上存在至少11个切割位点,只有当这些位点被正常切割后,这些病毒复制相关的“零件”才能顺利组装成复制转录机器,启动病毒的复制。
由于主蛋白酶这把“魔剪”在病毒复制过程中起到至关重要的作用,且人体中并无类似的蛋白质,因此主蛋白酶就成为一个抗新冠病毒的关键药靶。




虽然过去30年间至少出现了30种新发传染病(如SARS、 MERS等),如何能在疫情期间迅速找到具有临床潜力的药物仍然是一个重大挑战。

为解决这一难题,攻关“联盟”首先瞄准了“老药”,即成药、临床试验药物以及天然产物;同时开展了从头设计、计算机虚拟筛选和高通量筛选3种不同的研究策略,三管齐下。
在从头设计的研究策略中,攻关“联盟”发现迈克尔受体N3是一个主蛋白酶的强效抑制剂,并率先解析了2.1Å的“主蛋白酶-N3”的高分辨率复合物结构(随后又提高至1.7Å),这也是世界上第一个被解析的新冠病毒蛋白质的三维空间结构。
为方便相关的科技工作者第一时间开发以该酶为靶点的抗病毒药物,攻关“联盟”第一时间公开了研究成果,并在PDB蛋白质结构数据库(Protein Data Bank, PDB)公开了结构坐标。
自1月26日起,团队已为国内外300多家高校、研究机构及企业的实验室直接提供了数据。该结构被PDB蛋白质结构数据库选为2020年2月的明星分子(February Molecule of the Month),并被PDB撰文报道。
此后,攻关“联盟”继续联合利用虚拟筛选和高通量筛选策略相结合的方式,对10000多个老药、临床药物以及天然活性产物进行筛选,发现了数种对主蛋白酶有显著抑制作用的药物,其中包括双硫仑(disulfiram)、卡莫氟(carmofur)、依布硒(ebselen)、紫草素(shikonin)、Tideglusib和PX-12等。
后续的抗新冠病毒实验显示,依布硒和N3均能在细胞水平显著抑制新冠病毒的复制。值得一提的是,依布硒已用于治疗听力障碍等多种疾病的临床试验(完成临床二期),并具有很好的安全性表现。上述研究成果,为迅速开发具有临床潜力的抗新冠肺炎的先导药物奠定了重要基础。


 “抗新冠病毒攻关联盟”由上海科技大学-清华大学饶子和/杨海涛团队、中科院上海药物所蒋华良团队、军事科学院军事医学研究院秦成峰团队以及中科院武汉病毒所石正丽团队、肖庚富团队等组成。国家蛋白质科学中心(上海)主任兼上海科技大学生命科学与技术学院教授许文青、澳大利亚昆士兰大学教授Luke W. Guddat参与了此项研究。
攻关“联盟”中的饶子和院士团队自从2003年SARS暴发以来,在17年间一直致力于冠状病毒关键药靶的研究及抗病毒新药的研发。
研究团队在SARS暴发期间,就曾在世界上解析了首个SARS病毒蛋白质(主要蛋白酶)的三维空间结构,为抗SARS药物的研发提供了关键结构依据;随后研究团队又设计和开发出首个抑制所有冠状病毒的广谱抑制剂。这些前期的研究都为最新研究的顺利开展奠定了基础。
相关论文信息:
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2223-y


来源:中国科学报

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