Использование молекулярного моделирования для раскрытия новых терапевтических мишеней SARS-CoV-2

В нашем предыдущем посте мы изучили, как предсказательные инструменты моделирования могут генерировать атомно-уровневые структуры вирусных белков и заполнять экспериментально неразрешенные регионы, такие как отсутствующие атомы водорода и гибкие петли. Мы сфокусировались на крио-электронной микроскопии (крио-ЭМ) структуре шиповидного (S) белка SARS-CoV-2, опубликованной в Science (DOI: 10.1126/science.abb2507).

Здесь мы углубляемся в то, как уточненные структурные модели — особенно S-белка — могут топливать генерацию гипотез для COVID-19 терапевтик.

Связывание лекарства зависит от динамики белка

Белки не статичны; их движения интегральны для функции. Как физик Ричард Фейнман отметил, «поведение живых систем может быть понято в терминах дрожаний и виляний атомов». S-белок SARS-CoV-2 экземплярно иллюстрирует это: перед входом в клетку он должен связаться с хозяином рецептора ангиотензин-конвертирующего фермента 2 (ACE2). Рецептор-связывающий домен (RBD) медиает это взаимодействие (см. Рисунок 1A). RBD осциллирует между «вверх» (ACE2-доступным) и «вниз» (ACE2-недоступным) конформациями (Рисунок 1B). Исследования предполагают, что состояние вниз более стабильно, подразумевая, что малые молекулы, фиксирующие RBD в конформации вниз, могут блокировать связывание ACE2 и остановить вирусный вход.

RBD функционирует как шарнир

Гибкий линкер соединяет RBD с остальной частью S-белка, позволяя шарнирно-подобный переход между вниз и вверх состояниями (Рисунок 1B). Мы изолировали RBD с его линкером и смежным доменом (Рисунок 1C). Структура вверх-состояния (PDB 6VYB) лишена трех петель, критичных для ACE2 взаимодействия; поэтому мы построили гомологическую модель, используя как 6VYB, так и кристаллический комплекс RBD-ACE2 (PDB 6M17). Эти петли, включая одну длиной более 20 остатков, существенны для связывания, и их точное моделирование позволяет назначить корректные протонированные состояния для физиологического pH.

Последующие молекулярно-динамические (MD) симуляции могут захватить конформационный ландшафт RBD и раскрыть потенциальные карманы для связывания малых молекул. Используя BIOVIA Discovery Studio, мы идентифицировали карман на шарнире линкера (Рисунок 1C), который мог бы служить мишенью для соединений, спроектированных для стабилизации вниз-конформации.

Путь вперед

Для валидации шарнирного кармана исследователи могут использовать нормальный модный анализ (NMA) или расширенные MD симуляции (~сотни наносекунд) для сэмплирования разнообразных конформаций. Эти ансамбли затем могут вводиться в высокопропускной виртуальный скрининг, докинга каждого соединения по множественным белковым состояниям. Этот ансамблевый подход показан увеличивающим hit rates в открытии лекарств и отражает реальность, что лигандное связывание контингентно на белковой динамике.

Помимо малых молекул, уточненная S-белковая модель также ценный шаблон для дизайна моноoclonalных антител. Ин-силико аффинитетная матурация может уточнить антителовую специфичность к ACE2-связывающему интерфейсу.

BIOVIA Dassault Systèmes — используя более 30 лет пир-ревьюд исследований — предлагает платформу BIOVIA Discovery Studio, поддерживающую весь пайплайн открытия лекарств от идентификации мишени до оптимизации лида, включая дизайн биологиков, классические симуляции, фрагментно-базированный дизайн, виртуальный скрининг и ADME/токсичность предсказание.

В соответствии с нашей корпоративной социальной ответственностью, BIOVIA предоставляет бесплатную, шестимесячную лицензию квалифицированным академическим исследовательским группам, проводящим исследования SARS-CoV-2. Заинтересованные исследователи могут запросить лицензию и скачать софт. Это предложение остается доступным до 30 июня 2020 года.