首页 > 论文范文 > 医药卫生论文 > 公共卫生论文 > 新型冠状病毒论文 > 基于分子对接技术筛选新型冠状病毒变异体XBB.1.5 RBD抑制剂

基于分子对接技术筛选新型冠状病毒变异体XBB.1.5 RBD抑制剂

2024-08-12 22 上传者：管理员

摘要：目的利用虚拟筛选技术筛选出可抑制新冠病毒变异体XBB.1.5S蛋白受体结合区域（RBD蛋白）与血管紧张素转化酶2(ACE2)结合的小分子抑制剂，从而阻断新冠病毒对宿主的识别。方法在Mcule小分子数据库中下载486387个配体小分子。使用Jarvis-Patrick聚类后采用AutoDock Vina软件进行基于质心的分子对接。结果确定了XBB.1.5RBD蛋白与ACE2相互作用的关键氨基酸残基，深入分析了5个候选物小分子与XBB.1.5RBD蛋白的结合模式，化合物1与XBB.1.5 RBD蛋白的TYR489和SER490残基形成π-π堆积和氢键相互作用；化合物2与TYR449、SER494和TYR501通过氢键和π-π堆积结合；化合物3主要与TYR451形成氢键；化合物4与TYR427通过π-π堆积结合；化合物5则与ARG381、GLN387和ASN395残基形成π-阳离子堆积和氢键。上述相互作用均干扰了XBB.1.5RBD与ACE2的结合，起到抑制作用。通过ADMET模拟分析，预测了候选化合物的生物利用度、遗传毒性和致癌性，最终得到了潜在的抑制剂分子。结论从数据库中筛选出潜在的新型冠状病毒变异体XBB.1.5RBD蛋白的小分子结构，进而阻断S蛋白与ACE2之间的结合，为抗新型冠状病毒药物研究及处方筛选提供参考。

关键词：
S蛋白
分子对接
受体结合区域
变异体XBB.1.5
新型冠状病毒
虚拟筛选
加入收藏

近几年来，全球都在遭受严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-Co V-2）的猛烈袭击，新型冠状病毒肺炎（coronavirus disease 2019,COVID-19）导致全世界遭受前所未有的持续性传染。尽管专家们研究出多种疫苗，但由于多种新型变异毒株的出现，病毒仍然对人们产生巨大的威胁。在美国，由于奥密克戎亚型毒株XBB.1.5[1-2]的迅速增长，目前已超越“地狱犬”成为美国的“头号毒株”。从美国疾控中心发布的数据可知，截至美国时间2022年12月31日，感染XBB.1.5毒株的患者占美国当周感染新冠病例的40.5%。根据中国疾控中心2023年2月15日发布的数据得知，中国内地首次检测出1例XBB.1.5变异毒株。

SARS-Co V-2突变体奥密克戎XBB.1.5是由BA.2血统的两个后代变异株[3]重组而成，由于新冠病毒的遗传物质是结构不稳定的单链RNA，因此病毒在复制过程中变异频率增加。由于SARS-Co V-2 XBB谱系独特的S蛋白突变，使其具有较高的抗体逃逸能力。其谱系中XBB.1.5变异毒株表现出与血管紧张素转化酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2）受体[4]结合的亲和力更强，导致免疫逃逸能力进一步增强，感染率也进一步增加[5]。XBB/XBB.1已被证明对接种疫苗或恢复期个体的血浆/血清和单克隆抗体（m Abs）的中和具有极大的规避作用，与XBB.1相比，XBB.1.5在刺突蛋白上携带了Ser486Pro突变，与原始株相比，这是一种罕见的2-核苷酸取代。XBB.1.5快速传播的潜在机制仍需进一步的研究，特别是Ser486Pro的影响。XBB.1.5和XBB.1相比，其显著的生长优势可能是因为XBB.1.5通过Ser486Pro突变获得了更高的ACE2结合亲和力，同时保持了极高的免疫逃逸能力[6]。该突变位于受体结合结构域（receptor-binding domain,RBD），它可能通过调节细胞进入的有效率来影响传播，并可能改变对抗体介导的中和的敏感度[7]。严重的中和逃逸和增强的宿主细胞进入是快速传播的SARS-Co V-2谱系XBB.1的特征[8]。因此，RBD蛋白是抗SARS-Co V-2药物的一个有吸引力的靶点，可以极大地抑制病毒的复制，减少对人体器官的伤害。

作为一种RNA病毒，SARS-Co V-2具有不断演变的性质。对于老年人而言，如果发生流感感染或交叉感染，依然存在病程进展到危重症的可能[9]。为了世界的公共卫生安全和人类的健康生存，积极筛选出SARS-Co V-2的抑制剂是目前医药研发的当务之急。

1、方法

1.1识别正确的对接位点

S蛋白是一种三聚体结构，包含三条相同的链，每条链包含7个亚基。对于如此庞大的蛋白质，正确识别配体对接的位点非常重要。经过深入分析蛋白质结构，最终选择S蛋白单链中的RBD蛋白。进一步在PDB数据库中检索与ACE2蛋白形成相互作用RBD蛋白的构象，最终选择突变体XBB.1.5的RBD结构（PDB ID:8SPI)[10]。此蛋白的RBD结构属于开放状态，即可以直接获得XBB.1.5 RBD识别宿主ACE2蛋白的重要残基。上述重要残基被识别之后，选择它们所在的空间区域对小分子库进行后续筛选对接。

1.2配体分子的准备

在Mcule小分子数据库（https://mcule.com/database/）中下载486 387个配体小分子。由于配体的数据库比较庞大，需要将配体预处理进行聚类后，根据配体之间的相似度归类，达到70%的阈值归为一类，最终得到了35 160类配体。再从每一类中抽出一个代表性分子，使用Openbabel v.2.1.1分离为单个小分子，将初始的2D格式文件批量转换为3D的格式文件。转化完成后，用MMFF94力场对每个配体分子进行优化，作为虚拟筛选的输入文件，至此配体的准备完成。

1.3分子对接

分子对接是一种广泛应用于通过虚拟筛选来预测配体结合模式和结构的建模工具。这种方法可以展示配体小分子和靶点蛋白之间的相互作用，从而推测出化合物的亲和力及活性[11]。本文采用Auto Dock Vina软件[12]进行两次分子对接。第一次对接采用了基于质心的分子对接，采用Jarvis-Patrick算法对整个数据库聚类，之后对每个聚类代表分子做对接；第一次对接后得到候选化合物连同其相似分子进行第二次分子对接，两次对接的参数相同，程序如下。

利用MGLTools软件将化合物加工成质子化态和PDBQT文件进行对接。RBD蛋白结合区域和配体被认为分别是刚性和柔性的，所以采用半柔性对接模式。通过使用Auto Dock Vina软件与已经准备好的RBD蛋白进行分子对接。基于结构的分子对接，第一步要把蛋白分子RBD和准备好的配体小分子转化为PDBQT文件格式，这是Auto Dock必要的文件格式要求。对接时使用了30Å×100.8Å×31.5Å网格的三维周期性对接盒子，以XBB.1.5的RBD蛋白为对接中心，对接盒子的中心坐标是（99.586,144.588,193.563），格点间距为0.375Å，其他参数保持默认。根据预测的结合能对得到的对接结构进行排序。

进行初始筛选时，从聚类后得到的3万多个代表化合物的对接打分结果排序中，选择前1000个进一步筛选。进行第二次筛选时，从中根据结合能和对接构象选出前10个作为候选分子深入分析结合模式。选取对接结果中亲和度最高的结合构象作为模拟初始复杂构象。评分软件的对接评分结果越高，化合物与受体蛋白的结合越好。

1.4 ADMET分析

使用中南大学团队开发的ADMETlab 2.0(https://admetmesh.scbdd.com/）[13]对筛选中排名前10位的对接化合物进行ADMET性质分析。计算了体内吸收参数：体内Caco2细胞渗透性（人结直肠癌）、人类肠道吸收渗透性（HIA，%）、体内P-糖蛋白（P-gp）抑制剂和P-糖蛋白底物。分布特性包括血脑屏障（BBB）穿透性、容量分布（VD）等。代谢参数测定包括体内细胞色素P450 1A2(CYP1A2）抑制、体内细胞色素P450 2C19(CYP2C19）抑制、体内细胞色素P450 2D6(CYP2D6）抑制、体内细胞色素P450 3A4(CYP3A4）。排泄是一个非常重要的参数，因为许多药物在临床试验阶段往往因为肾脏清除率较差而被撤回。在这项研究中，纳入了全肾清除率（CL）和半衰期（t1/2），以确定所提出的代谢物的排泄功效。为了获得所研究化合物的毒性，计算了一系列重要的终点，Ames试验、致癌性、大鼠口服急性毒性（ROAT）、呼吸道急性毒性（RT）等。使用Lipinski规则[14]、Pfizer规则[15]、Golden Triangle规则[16]评判化合物的成药性。

2、结果

2.1识别正确对接位点

本文的目的是用候选小分子“遮蔽”新冠变异体XBB.1.5的S蛋白开放的RBD，以抑制其与宿主ACE2蛋白的结合。要选择的PDB条目应该是属于XBB.1.5变异体、具有开放RBD区域、保持与ACE2相互作用，因此，选择PDB ID为8SPI的蛋白。ACE2蛋白和RBD的开放构象被用来进行分子对接。相互作用在截止值为3.5Å时RBD蛋白表面与ACE2相互作用的重要残基有ARG439、TYR449、TYR453、PHE456、ALA475、GLY476、ASN477、ASN487、TYR489、SER490、GLN493、ARG498、THR500、TYR501、GLY502、HIS505。上述残基坐标所在的空间为候选小分子进行对接区域（图1）。

2.2虚拟筛选结果

486 387个化合物分子经过聚类，获得了合理的聚类数量（35 160个）。35 160个类别代表化合物经过第一次对接后，选择对接结合能大于等于–8.0 kcal/mol的代表化合物及其类似物进行第二次对接。其中对接结合能排名前5的化合物信息如表1所示。

2.3对接结合模式分析

对排名前5的化合物与RBD蛋白的结合模式进行观察发现，化合物与RBD蛋白之间存在的主要非键合作用为氢键和π-π堆积相互作用。

化合物1～5均和XBB.1.5变异体S蛋白的RBD形成了很好的空间匹配，并且结合位置正是用于识别人ACE2蛋白的区域，因此能很好地“阻断”两者的接触。

对于化合物1，主要存在和两个残基的相互作用，来稳定与RBD蛋白的结合（图2A）。残基TYR489芳香环与化合物1形成了“T型”π-π堆积相互作用，残基SER490酰基上的N原子与化合物1形成了氢键。并且TYR489和SER490均是XBB.1.5 RBD识别ACE2的重要残基，这对于两者结合的抑制也起到了有利的作用。

化合物2与XBB.1.5 RBD蛋白上3个残基存在密切接触（图2B）。残基TYR449作为供体与化合物2的双键氧原子形成了氢键。除此之外，令人感兴趣的是，残基TYR449的苯环还与化合物2形成了“T型”π-π堆积相互作用。那么可以推断，残基TYR449对于XBB.1.5 RBD蛋白和化合物2的稳定结合起到了很重要的作用。残基SER494侧链的羟基提供质子与化合物2形成氢键。残基TYR501也作为供体和化合物2形成氢键。其中残基TYR449、TYR501也都属于RBD蛋白结合人ACE2的重要残基，这些残基与候选化合物形成了密切的接触，会大大干扰XBB.1.5RBD蛋白和ACE2的结合。

化合物3主要和RBD蛋白上1个残基（TYR451）保持着密切的相互作用（图2C）。残基TYR451苯环上的羟基与小分子形成了氢键相互作用。

化合物4和RBD蛋白上的残基TYR427存在相互作用，TYR427的苯环与其产生“P型”π-π堆积相互作用，这个残基属于S蛋白和ACE2蛋白结合的重要残基（图2D）。

化合物5和残基ARG381、GLN387和ASN395存在相互作用（图2E）。残基ARG381的侧链和小分子苯环形成了π-阳离子堆积相互作用。残基GLN387侧链N原子作为供体和化合物5形成了氢键。残基ASN395作为供体和化合物5形成了两个氢键。

图1 S蛋白受体结合区域（RBD）与ACE2相互作用界面（红色残基为RBD侧参与相互作用的残基）

表1对接结合能排名前5的化合物

2.4 ADMET分析

从数据库中筛选出的前5个化合物的ADMET特性如表2所示。任一小分子作为口服药物的重要特征是其可以穿过肠上皮细胞膜，这对于人体吸收程度有决定性作用，直接影响其生物利用度。根据计算模型，化合物1～5都具有较高的Caco2渗透性。对本研究的5个化合物的人类肠道吸收渗透性进行预测，其值均大于30%，表明吸收良好。P-gp是ATP结合盒转运体的组成部分，可用于预测化合物是否可以通过ATP结合盒超家族转运蛋白（ATP-binding cassette,ABC）跨细胞膜运输。本研究中化合物2、3都被预测通过ABC转运蛋白转运。分布容积（VD）是指血液中需要均匀分布的药物总量，该模型中合理的分布范围在0.04～20 L/kg。化合物1～5都处于正常范围之内。血脑屏障的渗透性可以表征化合物是否有能力到达大脑。所有5个化合物在预测中都不能通过血脑屏障，这对于ACE2抑制剂的筛选是有利的。因为血脑屏障通透性不是靶向S蛋白所需要的，不是当前目标的理想特性。代谢预测表明，化合物1、2对细胞色素功能没有主要影响，其余的化合物会对细胞色素的功能有一定影响。化合物1～5的肾脏排泄各不相同，都处于比较正常的范围之内。对于遗传毒性，化合物1、2、3、5表现良好。化合物1～5均被预测为不具有致癌性。除化合物4外，其他化合物都被预测为不具有呼吸道毒性。对于成药性预测，只有化合物1、2、5同时符合Lipinski规则、Pfizer规则和Golden Triangle规则。

图2化合物1～5 (A～E）和RBD蛋白相互作用模式图

表2化合物1～5的ADMET特性

3、讨论

冠状病毒是一组RNA病毒，可以感染许多宿主，包括人类和动物。SARS-Co V-2引起的病毒性肺炎从2019年底开始在全球肆虐，至今仍然出现新的变异体能够逃避人体的免疫，影响人类健康与正常生活。新冠病毒变异体XBB.1.5是如今全球最广泛流行的毒株之一，属于奥密克戎的分支，在RBD蛋白上出现的新的突变（Ser486Pro）赋予其更高的亲和力和逃逸属性。针对XBB.1.5 RBD蛋白筛选设计的候选物小分子可以更精准地阻断其传播。

首先分析了新冠变异体XBB.1.5的S蛋白上的受体结合区域与宿主ACE2蛋白的结合模式，特别是确定了结合过程中的重要氨基酸残基。将这些重要残基纳入对接位置，并使用基于质心的分子对接的方法完成了数量庞大的数据库的筛选，通过多次筛选获得了更加合理的结合新冠变异体XBB.1.5 RBD的5个候选物，深入分析了候选代表化合物与RBD蛋白表面的相互作用模式，5个化合物主要通过与RBD蛋白的关键氨基酸残基形成氢键和π-π堆积等相互作用，进而与RBD蛋白结合，从而阻断S蛋白与ACE2之间的结合。另外，本研究还对候选化合物的ADMET性质进行了模拟分析，从生物利用度、分布容积、血脑屏障的渗透性、遗传毒性和致癌性方面对候选化合物进行评估，最后得到了潜在的抑制剂分子。这为后续的药物开发和优化提供了有价值的信息。希望为新冠病毒以及冠状病毒的治疗提供更多新线索。

基金资助:国家自然科学基金面上项目(82373767);中国医学科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费(2022-RW180-01);

文章来源:吕瑞杰,王晨宇,唐梦佳,等.基于分子对接技术筛选新型冠状病毒变异体XBB.1.5 RBD抑制剂[J].中国医药生物技术,2024,19(04):308-314.