本文根据理化学研究所成果发布资料编译而成
日本理化学研究所（以下简称“理研”）生命机能科学研究中心计算分子设计研究团队的小松辉久研究员、冲本宪明高级研究员及泰地真弘人组长等人组成的研究团队，对新冠病毒感染症（COVID-19）的致病病毒“SARS-CoV-2”的主蛋白酶（Mpro）蛋白与7种人类免疫缺陷病毒（HIV）蛋白酶抑制剂结合的过程进行了分子动力学模拟（视频）。
病毒通过使感染的细胞产生病毒蛋白来增殖。SARS-CoV-2的Mpro主要发挥“剪刀”（蛋白酶）的作用，负责在适当的位置剪断细胞产生的蛋白质并使其变得完整。Mpro与HIV的蛋白酶类似，因此有望利用现有的HIV蛋白酶抑制剂治疗SARS-CoV-2。
研究团队对7种HIV蛋白酶抑制剂分别与Mpro表面接触的过程进行了分子动力学模拟，调查了容易结合的位点分类，以及与蛋白酶活性位点结合的难易度。另外，通过解析位点的结构变化，发现这种结构的变化程度非常大，即使是在与抑制剂结合的状态下，也能呈现多种形状和排列。此次的研究成果验证了抑制剂与靶蛋白的动态结合过程，为发现候选药物分子提供了新的可能性。
HIV抑制剂（奈非那韦=白色圆圈中的分子）与Mpro结合的过程
研究方法与成果
为推进抑制新冠病毒主蛋白酶（Mpro）的药物分子开发，研究团队通过分子动力学计算，模拟了已作为HIV抑制剂使用的7种药物分子与Mpro结合的过程。分子动力学计算利用了理研信息基础中心的HOKUSAI系统和专用计算机MDGRAPE-4A执行。
SARS-CoV-2 Mpro的立体结构根据Liu等人的报告注1）设定，作为溶剂的水分子数量接近3万个，系统的总原子数量接近10万个。将7种药物分子分别添加到含Mpro的水溶液中，并逐一对添加了不同药物分子的系统实施0.2微秒（1微秒为100万分之1秒）×28次的模拟，观察药物分子在Mpro表面的附着情况。然后，根据通过全部试验（7×28次）数据获得的药物分子与Mpro的接触数据，对Mpro表面药物容易粘附的位置（结合位点）进行了分类，并确定其中一个位置位于与Mpro的剪刀功能直接相关的位点（蛋白酶活性位点，图1）。另外，通过调查0.2微秒的结合过程，还确认了药物分子与活性位点实际结合的情形（图2）。
图1：SARS-CoV-2主蛋白酶（Mpro）的结合位点
Mpro作为由两个蛋白质亚基组成的同型二聚体发挥作用。根据7种药物分子的结合数据，对Mpro表面的结合位点进行了分类，显示了5个主要位点（site1-site5）。用红色显示的site1与蛋白酶活性位点重合。
图2：药物分子与活性位点结合的过程
本图显示了在利用7种药物分子的MD模拟中，各药物分子在蛋白酶活性位点的占比随时间发生的变化。可以看出，在0.2微秒的时间里，与活性位点的结合逐渐增加。受样品数量限制，很难准确预测每种药物分子的优劣，但茚地那韦（淡蓝色）的亲和性明显高于达芦那韦（绿色）。
为捕捉与药物分子结合的Mpro的结构变化，针对在上述模拟中各药物分子最终与活性位点结合的23次试验延长了分子动力学计算，观察了1微秒内的动态。由此发现，结合位点的形状会大幅变化。另外，将3次试验的计算时间延长至6微秒后，偶尔会观察到药物分子在结合位点中改变方向（图3）。这表明，药物分子与靶蛋白的结合比以前认为的要灵活得多。
图3：在结合位点中改变方向的药物分子
对茚地那韦（用淡蓝色主链显示的棍状模型）与结合位点site-1（活性位点）的结合进行6微秒MD模拟的结果。茚地那韦的方向在1.0微秒（μs）、2.4微秒和5.0微秒时大幅改变。Mpro用空间填充模型表示，与跟茚地那韦结合有关的氨基酸残基分别用红色（第166位谷氨酸）、蓝色（第189位谷氨酰胺）、黄色（第44位半胱氨酸、第143位甘氨酸、第187位天冬氨酸、第188位精氨酸、第190位苏氨酸）和灰色（第49位甲硫氨酸）显示。可以看出，这些氨基酸残基的位置关系也在发生变化。
未来展望
今后，为获得用于探索候选药物分子和开发新药物分子的数据，研究团队预定利用更广泛的药物分子，对在SARS-CoV-2 Mpro和SARS-CoV-2中编码的其他潜在新药靶蛋白进行模拟。
注1）Title: The crystal structure of COVID-19 main protease in complex with an inhibitor N3, Entry authors: Liu, X., Zhang, B., Jin, Z., Yang, H., Rao, Z., Initial deposition on: 26 January 2020
论文信息
题目：Drug binding dynamics of the dimeric SARS-CoV-2 main protease, determined by molecular dynamics simulation
期刊：Scientific reports
DOI：10.1038/s41598-020-74099-5
成果发布资料
编译：JST客观日本编辑部
