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《靶向宿主组织蛋白酶L和钙蛋白酶-1的泛冠状病毒抑制剂的结构设计》

  • 来源专题：新发突发传染病
  • 编译者： 张玢
  • 发布时间：2024-03-06
  • 冠状病毒感染引起的呼吸系统疾病仍然是全球性的健康危机。尽管有几种针对SARS-CoV-2的疫苗和直接作用的抗病毒药物，但它们对未来出现的冠状病毒，包括SARS-CoV-2变种的有效性可能会受到影响。针对宿主的抗病毒药物提供了预防和治疗策略，以克服抗药性并管理未来出现的冠状病毒暴发。半胱氨酸蛋白酶Cathepsin L（CTSL）和calpain-1（CAPN1）在冠状病毒进入细胞和感染相关免疫反应中发挥关键作用。在这里，两种类肽类α-酮酰胺化合物14a和14b被鉴定为强效的针对CTSL和CAPN1的双靶点抑制剂。人类CTSL和CAPN1与14a和14b结合的X射线晶体结构显示14a和14b的α-酮酰胺基团共价结合到CTSL的C25和CAPN1的C115。两者在体外显示出强效和广谱的抗冠状病毒活性，值得注意的是，它们对SARS-CoV-2及其相关变种（VOCs）表现出低纳摩尔水平的活性，EC50值在各种细胞中的范围从0.80到161.7 nM。初步的机制探索表明，它们通过阻断病毒进入展现出抗冠状病毒活性。此外，14a和14b在小鼠、大鼠和狗中表现出良好的口服药代动力学特性，并在小鼠中表现出良好的安全性。此外，14a和14b的治疗均在K18-hACE2转基因小鼠模型中展现出对SARS-CoV-2 XBB 1.16变种感染的强效抗病毒活性。14b还在小鼠模型中对HCoV-OC43感染表现出有效的抗病毒活性，最终存活率达到60%。进一步评估显示，14a和14b在Raw 264.7小鼠巨噬细胞和急性肺炎小鼠中展现出优秀的抗炎效果。综上所述，这些结果表明14a和14b是有前途的药物候选物，为开发具有抗病毒和抗炎特性的泛冠状病毒抑制剂提供了新的见解。
  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41392-024-01758-8?error=cookies_not_supported&code=0581e7e0-742a-4337-b37b-d3ec250bfe97
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    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2020-11-19
    • SARS-CoV-2是引起COVID-19疾病的呼吸道病毒，它通过多个步骤攻击人体。进入肺部深处的细胞和劫持人类宿主细胞的分子机器以产生病毒自身的副本是最早的两个步骤---这两个步骤对于病毒感染都是至关重要的。 在一项新的研究中，来自美国亚利桑那大学和南佛罗里达大学等研究机构的研究人员发现一些现有的化合物可以同时抑制SARS-CoV-2在人体细胞内复制所需的关键病毒蛋白--主蛋白酶（main protease, Mpro）和对病毒进入宿主细胞很重要的人类蛋白---组织蛋白酶L（cathepsin L），从而为设计针对COVID-19的抗病毒药物提供了启示。相关研究结果近期发表在Science Advances期刊上，论文标题为“Structure and inhibition of the SARS-CoV-2 main protease reveals strategy for developing dual inhibitors against Mpro and cathepsin L”。 论文共同通讯作者、南佛罗里达大学摩萨尼医学院分子医学副教授Yu Chen博士说，“如果我们能够开发出关闭或显著减少这两个过程---病毒进入和病毒复制---的化合物，这种双重抑制可能会增强这些化合物在治疗冠状病毒感染方面的效力。打个比喻，这就像一石二鸟。”他擅长基于结构的药物设计。 这项新的研究建立之前的研究工作---鉴定出并分析了几种有前景的现有抗病毒药物作为治疗COVID-19的候选药物---的基础之上。所有被选中的候选药物都靶向Mpro，以阻断SARS-CoV-2在实验室培养的人类细胞内的复制。 其中两种化合物，即钙蛋白酶（calpain）抑制剂II和XII，在生化测试中对Mpro的活性不如另一种名为GC-376的候选药物。然而，论文第一作者、Chen博士实验室的博士生Michael Sacco说，钙蛋白酶抑制剂，特别是钙蛋白酶抑制剂XII，实际上比GC-376在细胞培养物中杀死SARS-CoV-2的效果更好。 Sacco说，“我们想，如果这些钙蛋白酶抑制剂不能那么有效地抑制这种冠状病毒的Mpro，那么它们一定是在做其他事情方能解释它们的抗病毒活性。”他们从其他研究小组所做的研究中了解到，钙蛋白酶抑制剂可以阻断其他的蛋白酶，包括组织蛋白酶L，这是一种参与介导SARS-CoV-2进入细胞的关键人类宿主蛋白酶。 在这项新的研究中，这些研究人员使用了先进的技术，特别是X射线晶体学技术，以直观地了解钙蛋白酶抑制剂II和XII如何与病毒蛋白Mpro相互作用。他们观察到，钙蛋白酶II抑制剂与预期的一样，贴合到位于SARS-CoV-2 Mpro表面的靶结合位点上。出乎意料的是，他们还发现钙蛋白酶XII抑制剂采用了一种独特的构型---称为“倒置的结合姿势（inverted binding pose）”，以紧密地贴合在Mpro的活性结合位点上。(紧密贴合优化了这种抑制剂与靶病毒蛋白之间的相互作用，降低了协助SARS-CoV-2增殖的Mpro的活性)。 Chen博士说，“我们的研究结果为我们在未来如何设计更好的抑制剂来靶向这种关键病毒蛋白提供了有用的结构信息。” Chen博士说，除了同时靶向病毒蛋白酶Mpro和人类组织蛋白酶L提高效力（以较低的剂量获得理想的药物效果）外，双重抑制剂的另一个好处是它们有潜力抑制耐药性。 SARS-CoV-2会发生突变，这可能会改变它的靶基因序列。这些病毒突变会欺骗人体细胞，让这种病毒附着在细胞表面膜上并导入它的遗传物质到细胞中，并能改变病毒蛋白的形状以及它们与细胞内其他分子（包括抑制剂）的相互作用方式。 当SARS-CoV-2发生突变以便继续增殖时，它可能会对某种抑制剂产生抵抗性，从而降低这种化合物的有效性。换句话说，如果这种病毒的靶基因序列（锁）发生变化，那么钥匙（抑制剂）就不再适合那把特定的锁。但是假设同一把钥匙可以打开两把锁，以帮助阻止这种病毒感染；在这种情况下，这两把锁是Mpro（病毒靶蛋白）和组织蛋白酶 L（人类靶蛋白）。 Chen博士说，“这种病毒很难同时改变两把锁（两个药物靶标）。因此，双重抑制剂使得抗病毒药物耐药性更难形成，这是因为即便这个病毒靶蛋白发生变化，这种类型的化合物对没有发生变化的人类宿主蛋白仍然有效。” 这些研究人员继续对现有的抗病毒候选药物进行微调，以改善它们的稳定性和性能，并希望将他们所学到的知识应用于帮助设计新的COVID-19药物。他们的下一步研究工作将包括解决钙蛋白酶抑制剂如何在化学和结构上与组织蛋白酶L相互作用。
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  • 《Science | 在小鼠模型中设计具有抗病毒功效的SARS-COV-2木瓜样蛋白酶样蛋白酶抑制剂》
    • 来源专题：战略生物资源
    • 编译者：李康音
    • 发布时间：2024-04-03
    • 2024年3月29日，美国罗格斯新泽西州立大学（Rutgers）药学院副教授王俊及其合作者在Science上发表了题为Design of a SARS-CoV-2 papain-like protease inhibitor with antiviral efficacy in a mouse model的文章。 这篇文章首次报道了在小鼠感染实验中具有抗病毒活性的木瓜样蛋白酶 (papain-like protease, PLpro) 抑制剂。 PLpro 是主蛋白酶外另一个由SARS-CoV-2编码的半胱氨酸蛋白酶。PLpro能够切断病毒非结构多蛋白 (Nsps)，对病毒复制起到至关重要的作用。此外，PLpro还能通过裂解宿主蛋白的泛素和修饰干扰素刺激基因15 (ISG 15) 从而抑制宿主免疫反应。PLpro在SARS-CoV-2突变株中高度保守，使其成为备受关注的抗病毒药物靶点。然而，经过药物化学家数十年的结构优化和高通量筛选，PLpro抑制剂开发仍处于临床前阶段。在此之前报道的PLpro抑制剂的抗病毒活性和药代动力学特性都有待优化。 在这项研究中，基于已报道的非共价PLpro抑制剂XR8-24和共价PLpro抑制剂Cp7，将化合物Cp7中的萘环替换成3-苯基噻吩，设计了共价PLpro抑制剂Jun11313 ，发现其可有效抑制PLpro（IC50=0.12 μM），因此研究将其作为起点进行后续结构优化。Jun11313与SARS-CoV-2 PLpro共晶结构分析发现与XR8-24中吡咯烷取代的噻吩基团相比，Jun11313中的噻吩基团朝向BL2 groove结合口袋的相反位置，与Pro248和Pro247形成范德华力相互作用，并与Met208存在CH-π和S-π相互作用。进一步观察PLpro泛素(ubiquitin)与Jun11313的共晶结构，发现噻吩基占据与泛素Val70相同的疏水口袋。因此，研究人员将这个从未被用于PLpro抑制剂设计的口袋称为Val70Ub。 基于Jun11313与PLpro的结合模式，假设可以通过同时靶向BL2 groove和Val70Ub疏水口袋来设计高效的PLpro抑制剂。因此，团队设计并合成了一系列双芳香基取代苯甲酰胺化合物 。所有化合物先进行酶活测试和细胞毒性测试，再通过FlipGFP和SARS-CoV-2抗病毒实验中对部分化合物进行了验证，再利用小鼠的体外微粒体稳定性和体内口服药代动力学（PK）对高效低毒化合物（EC50 ≤ 1 μM，SI > 50）进行了进一步验证。而通过多轮筛选，得到了候选化合物Jun12682。最后，研究发现Jun12682对Omicron、Delta和三种nirmatrelvir耐药病毒株均具有抑制活性。 共晶结构显示Jun12682以及类似物同时结合到BL2 groove和Val70Ub的疏水口袋，验证了初始的理性设计 。在体外PK实验中，Jun12682表现出良好的代谢稳定性（T1/2 = 131.9 min, CLint(mic) = 10.5 μL/min/mg），高选择性和良好的溶解性，同样在体内PK实验中，其具有优异的口服生物利用度（72.8%）。Jun12682对体内五种主要药物代谢的细胞色素P450 (CYP450) 酶都没有抑制效果。这预示着Jun12682不会有跟Paxlovid一样具有药物相互作用的副反应。基于此，团队对Jun12682进行了体内药效研究，结果显示，对SARS-CoV-2感染BALB/c小鼠，Jun12682口服给药不仅显著提高小鼠存活率，而且能够显著降低小鼠肺部病毒滴度和组织损伤，且降低多种炎症因子的表达。 总括而言，基于新发现的Val70Ub的口袋，团队设计了一类结构新颖、高效的PLpro抑制剂，其中，Jun12682不仅能够有效抑制多种突变病毒株，且具有优异的体内活性，具有开发成为新型抗SARS-CoV-2新药的潜力。
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