设计靶向破坏 3CLpro 蛋白酶自缔合的基于肽的冠状病毒抑制剂,Molecular Systems Design & Engineering

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设计靶向破坏 3CLpro 蛋白酶自缔合的基于肽的冠状病毒抑制剂
Molecular Systems Design & Engineering ( IF 3.2 ) Pub Date : 2022-06-22 , DOI: 10.1039/d2me00098a
Karim M. ElSawy _{1,

2} , Fahad M. Alminderej ₁ , Leo S. D. Caves _{2,

3}

Affiliation

3CLpro 是一种在冠状病毒中发现的高度保守的主要蛋白酶，这使其成为开发广谱冠状病毒抑制剂的有吸引力的靶点。它的同源二聚体在冠状病毒复制中起着至关重要的作用。已知跨越 3CLpro 的 N 指结构域的 SGFRKMAF 肽会破坏二聚化，但是，其作用方式尚不完全清楚。我们使用观察到的蛋白质晶体结构中该肽段的构象作为开发冠状病毒二聚化抑制剂先导物的基础。我们使用其构象状态的代表性集合研究了 SGFRKMAF 肽与 3CLpro 单体在盲对接模拟中的相互作用。我们确定了 8 个吸引盆地，肽在 3CLpro 单体表面积累的不同区域。两个结合区域占主导地位：一个位于单体结构域 II 和 III 之间的凹槽处，另一个位于发生二聚化的界面区域。这两个区域的肽结合导致在 90 ns 完全溶剂化的分子动力学模拟中稳定的肽-蛋白质复合物。使用蛋白质-蛋白质对接模拟，我们发现在二聚体界面区域与至少一个单体结合的肽很可能通过阻断主要解释二聚体稳定的“热点”残基来破坏 3CLpro 二聚化。肽与其中一个单体的界面区域以及另一个单体中结构域 II 和 III 之间的凹槽结合，也会导致天然二聚体结构的破坏。界面区域相对于其他区域的肽结合常数 ( 一个位于单体结构域 II 和 III 之间的凹槽处，另一个位于发生二聚化的界面区域。这两个区域的肽结合导致在 90 ns 完全溶剂化的分子动力学模拟中稳定的肽-蛋白质复合物。使用蛋白质-蛋白质对接模拟，我们发现在二聚体界面区域与至少一个单体结合的肽很可能通过阻断主要解释二聚体稳定的“热点”残基来破坏 3CLpro 二聚化。肽与其中一个单体的界面区域以及另一个单体中结构域 II 和 III 之间的凹槽结合，也会导致天然二聚体结构的破坏。界面区域相对于其他区域的肽结合常数 ( 一个位于单体结构域 II 和 III 之间的凹槽处，另一个位于发生二聚化的界面区域。这两个区域的肽结合导致在 90 ns 完全溶剂化的分子动力学模拟中稳定的肽-蛋白质复合物。使用蛋白质-蛋白质对接模拟，我们发现在二聚体界面区域与至少一个单体结合的肽很可能通过阻断主要解释二聚体稳定的“热点”残基来破坏 3CLpro 二聚化。肽与其中一个单体的界面区域以及另一个单体中结构域 II 和 III 之间的凹槽结合，也会导致天然二聚体结构的破坏。界面区域相对于其他区域的肽结合常数 ( 另一个在发生二聚化的界面区域。这两个区域的肽结合导致在 90 ns 完全溶剂化的分子动力学模拟中稳定的肽-蛋白质复合物。使用蛋白质-蛋白质对接模拟，我们发现在二聚体界面区域与至少一个单体结合的肽很可能通过阻断主要解释二聚体稳定的“热点”残基来破坏 3CLpro 二聚化。肽与其中一个单体的界面区域以及另一个单体中结构域 II 和 III 之间的凹槽结合，也会导致天然二聚体结构的破坏。界面区域相对于其他区域的肽结合常数 ( 另一个在发生二聚化的界面区域。这两个区域的肽结合导致在 90 ns 完全溶剂化的分子动力学模拟中稳定的肽-蛋白质复合物。使用蛋白质-蛋白质对接模拟，我们发现在二聚体界面区域与至少一个单体结合的肽很可能通过阻断主要解释二聚体稳定的“热点”残基来破坏 3CLpro 二聚化。肽与其中一个单体的界面区域以及另一个单体中结构域 II 和 III 之间的凹槽结合，也会导致天然二聚体结构的破坏。界面区域相对于其他区域的肽结合常数 ( 这两个区域的肽结合导致在 90 ns 完全溶剂化的分子动力学模拟中稳定的肽-蛋白质复合物。使用蛋白质-蛋白质对接模拟，我们发现在二聚体界面区域与至少一个单体结合的肽很可能通过阻断主要解释二聚体稳定的“热点”残基来破坏 3CLpro 二聚化。肽与其中一个单体的界面区域以及另一个单体中结构域 II 和 III 之间的凹槽结合，也会导致天然二聚体结构的破坏。界面区域相对于其他区域的肽结合常数 ( 这两个区域的肽结合导致在 90 ns 完全溶剂化的分子动力学模拟中稳定的肽-蛋白质复合物。使用蛋白质-蛋白质对接模拟，我们发现在二聚体界面区域与至少一个单体结合的肽很可能通过阻断主要解释二聚体稳定的“热点”残基来破坏 3CLpro 二聚化。肽与其中一个单体的界面区域以及另一个单体中结构域 II 和 III 之间的凹槽结合，也会导致天然二聚体结构的破坏。界面区域相对于其他区域的肽结合常数 ( 我们发现在二聚体界面区域与至少一个单体结合的肽可能通过阻断主要导致二聚体稳定的“热点”残基来破坏 3CLpro 二聚化。肽与其中一个单体的界面区域以及另一个单体中结构域 II 和 III 之间的凹槽结合，也会导致天然二聚体结构的破坏。界面区域相对于其他区域的肽结合常数 ( 我们发现在二聚体界面区域与至少一个单体结合的肽可能通过阻断主要导致二聚体稳定的“热点”残基来破坏 3CLpro 二聚化。肽与其中一个单体的界面区域以及另一个单体中结构域 II 和 III 之间的凹槽结合，也会导致天然二聚体结构的破坏。界面区域相对于其他区域的肽结合常数 (K _in/out ) 在 310 K 时估计约为 0.12，这表明在热力学平衡下，肽不单独与其中一个盆地结合，证实了两个盆地之间的合作机制的观点。为了优化 SGFRKMAF 肽通过优先结合界面区域来破坏 3CLpro 二聚化的潜力，我们对 M6 和 F8 残基进行了系统突变，这些位点被确定为在观察到的二聚体结构中阻断热点区域的关键。我们发现 [M6F, F8S], [M6I, F8Q], [M6Q, F8T] 和 [M6T, F8I] 突变导致K _in/out增加至少一个数量级，其中 [M6F, F8S] 突变（SGFRKFAS 肽）显示K的最高值_进/出（~2.53）。因此，这些突变肽是广谱冠状病毒抑制剂开发中基于肽的先导结构的候选者。

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Design of peptide-based coronavirus inhibitors that target disruption of 3CLpro protease self-association

3CLpro is a highly conserved main protease found in coronaviruses, which makes it an attractive target for the development of broad-spectrum coronavirus inhibitors. Its homodimer plays an essential role in coronavirus replication. The SGFRKMAF peptide spanning the N-finger domain of 3CLpro is known to disrupt dimerization, however, its mode of action is not fully understood. We used the conformation of this peptide segment in the observed protein crystal structure as the basis for developing leads for coronavirus dimerization inhibitors. We investigated the interaction of the SGFRKMAF peptide with the 3CLpro monomer in blind docking simulations using a representative ensemble of its conformational states. We identified 8 basins of attraction, distinct regions where the peptide accumulates at the 3CLpro monomer surface. Two binding regions dominate: one, located at the groove between domains II and III of the monomer, and the other at the interface region where dimerization takes place. Peptide binding at these two regions resulted in stable peptide–protein complexes in 90 ns fully solvated molecular dynamics simulations. Using protein–protein docking simulations, we found that peptide binding to at least one of the monomers at the dimer interface region is likely to disrupt 3CLpro dimerization through blocking the “hot spot” residues that predominantly account for dimer stabilization. Peptide binding to the interface region in one of the monomers, and to the groove between domains II and III in the other monomer, leads also to disruption of the native dimer structure. The peptide binding constant at the interface region relative to other regions (K_in/out) was estimated to be ∼0.12 at 310 K, suggesting that at thermodynamic equilibrium the peptide does not solely bind to one of the basins, corroborating the view of a cooperative mechanism between the two basins. In order to optimize the potential of the SGFRKMAF peptide to disrupt 3CLpro dimerization via preferential binding to the interface region, we conducted systematic mutation of the M6 and F8 residues, sites identified as key to blocking hot spot regions in the observed dimer structure. We found that the [M6F, F8S], [M6I, F8Q], [M6Q, F8T] and [M6T, F8I] mutations result in an increase of K_in/out by at least one order of magnitude, with the [M6F, F8S] mutation (the SGFRKFAS peptide) showing the highest value of K_in/out (∼2.53). These mutant peptides are, therefore, candidates for peptide-based lead structures in the development of broad-spectrum coronavirus inhibitors.

更新日期：2022-06-22

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