基于新型冠狀病毒SARS-CoV-2主蛋白酶結構的小分子抑制劑虛擬篩選

徐浩 薛瑞 李娟 李波 陳舟 樸蓮花 常珊 孔韌

摘? ? 要：通過使用分子對接與虛擬篩選技術，以SARS-CoV-2主蛋白酶（Main Protease，Mpro）為靶點，利用Autodock Vina軟件和Python腳本進行分子對接，結合小分子的對接評分與結合模式分析，篩選出特異性作用于主蛋白酶的小分子抑制劑。結果發現，以SARS-CoV-2主蛋白酶原配體N3為對照，Reactive blue 2等分子具有更好的對接打分與合理的結合模式，或可成為潛在的主蛋白酶小分子抑制劑，可為尋找抗新冠病毒治療藥物提供線索。

關鍵詞：分子對接;COVID-19;虛擬篩選;主蛋白酶;小分子抑制劑

中圖分類號：R914? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2021）02-0065-07

2019年12月，我國武漢市出現了一種傳染性極強的疾病[1]，其病原體被發現是一種新的冠狀病毒，世界衛生組織將這種新型冠狀病毒感染的肺炎命名為“COVID-19”。由于引發該肺炎的冠狀病毒與引發SARS的冠狀病毒具有高度親緣性[2]，因此該病毒被命名為“SARS-CoV-2”。2020年1月30日，世界衛生組織（World Health Organization）宣布該事件為國際公共衛生事件，并于3月11日報告該疫情為全球性大流行。這是由冠狀病毒導致的首次全球疫情大流行。截至2020年10月20日，全球累計確診病例已超4 000萬。由于SARS-CoV-2是一種先前未在人類群體中發現的β屬新型冠狀病毒，因此目前沒有特效治療藥物[3]。隨著感染人數的逐漸上升，防控和救治已經成為全球性難題。作為一種β冠狀病毒，SARS-CoV-2的遺傳物質是單股正鏈RNA，控制冠狀病毒復制的主蛋白酶Mpro在病毒生命周期中有重要作用，Mpro與小核糖核酸病毒3C蛋白酶具有相似的切割位點特異性，這一酶通常被稱作3CL蛋白酶[4]。Mpro及其同源酶在病毒復制及轉錄過程中起到重要作用，因而Mpro受到研究者們的關注[5-7]，該蛋白酶可成為抗新冠病毒藥物的重要靶標。

相較2003年的SARS-CoV病毒疫情，COVID-19波及范圍廣、持續時間長，雖然目前疫情已經得到了較好的控制，但特異性治療藥物缺乏仍是一大問題。因此，尋找新冠病毒主蛋白酶的抑制劑對于抑制此次疫情具有重要的意義[8-9]。本文運用分子對接技術，對Mpro主蛋白酶與小分子的結合進行計算機模擬。對于篩選得到的分子，分析其結合模式，與晶體結構做對比，篩選出具有較為合理結合模式的潛在抑制劑分子，為尋找可能的抗新冠病毒藥物提供線索。

1? ?方法與材料

1.1? 復原對接

分子對接實驗采用AutoDock Vina[10-11]進行，該程序采用了拉馬克遺傳算法，結合基于網格的能量估計。為了檢驗對接實驗參數的可行性，對晶體結構進行了復原對接。從RCSB PDB庫中下載PDBID為6LU7的SAR-CoV-2主蛋白酶與抑制劑的復合物結構，分辨率為2.16 ?。將受體蛋白作加氫處理，配體選擇可旋轉柔性鍵，使用標準化的流程得到pdbqt文件。以晶體結構中配體的中心位置為對接實驗中盒子的中心坐標（center_x = -10.85，center_y = 2.58，center_z = 68.72），定義盒子大小為30×30×30 ?，使其包圍整個活性口袋區域。對小分子配體進行加氫處理，并賦予Gasteiger電荷。設置Exhaustiveness參數為12，并定義輸出打分最佳的十個構像。采用PyMOL和LigPlot進行結合模式分析[12-13]。

1.2? 小分子數據庫建立與配體準備

篩選所需要的配體來源于LOPAC?1280-藥理學活性化合物文庫，合集包括1 280種小分子化合物，其中大部分為已上市的藥物分子。下載所有小分子文件，采用Openbabel[14]生成小分子的三維坐標。采用AutoDock添加部分電荷信息轉換文件格式，得到pdbqt格式的配體文件（批量處理利用python腳本完成）。

1.3? 虛擬篩選

復原對接的結果顯示原配體成功對接到靶蛋白的活性中心，表明對接參數設置合理。將靶蛋白與原配體的對接結果作為陽性對照，用python腳本SailVina調用Autodock Vina對小分子化合物庫進行批量處理，通過AutoDock Vina得到每一個小分子對應的對接打分情況。本研究篩選出小分子庫中打分排名前十位的化合物，并對它們與受體的相互作用及結合模式進行分析，尋找效果最佳的可能的小分子抑制劑。

2? ? 結果與討論

2.1? 復原對接結果分析

6LU7結構由SAR-CoV-2 Mpro與對應的N3抑制劑結合形成，并且表現出配體與活性點位殘基的多個分子間相互作用。由文獻[15]可知，在6LU7對應的晶體結構中，主蛋白酶由三個結構域組成，N3通過與主蛋白酶底物結合裂縫中殘基的多種相互作用而穩定下來。其中，Cys145殘基上的S與乙烯基的C發生邁克爾加成形成共價鍵，鍵長1.80 ?，在抑制蛋白活性中起到關鍵性作用。His163、Gly143、Glu166、Phe140等與N3分子形成多個氫鍵相互作用。N3分子上的Leu嵌入His41、Met49、Met165、Tyr54形成疏水分子口袋，而Ala則被Met165、Leu167的側鏈包圍，發生疏水相互作用。

使用6LU7晶體結構進行復原分子對接，得到的最佳打分結果為-8.40 kcal/mol。在PyMOL中觀察復原對接的結合模式，并分別計算出不同構像與原配體間的RMSD[16]。二號構像與原配體最相似，且算得RMSD值為1.99 ?（<2 ?）（見圖1），說明復原對接效果良好。上述結果表明，對接參數設置較為合理，復原對接獲得成功。

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責任編輯? ? 王繼國