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Nature|中國攻關聯盟解析新冠“要害”，篩選出多種病毒抑制小分子
經國際權威學術刊物《自然》（Nature）邀請投稿，當地時間4月9日，來自中國的“抗新冠病毒攻關聯盟”正式發表了題為“Structure of Mpro from COVID-19 virus and discovery of itsinhibitors”的研究。該研究揭示了2.1Å新冠病毒Mpro（又稱3CLpro）與 N3復合物的高分辨率結構，這也是世界上第一個被解析的新冠病毒蛋白質的三維空間結構。
他們還分析探討了多種藥物發現策略，該研究為迅速開發具有臨床潛力的抗新冠肺炎的藥物奠定了重要基礎。通過計算機輔助藥物設計，攻關團隊確定了新冠病毒主蛋白酶的強效抑制劑N3。此外，團隊還進行了10000多種化合物的篩選，發現了雙硫侖（disulfiram）、卡莫氟（carmofur）、依布硒（ebselen）、紫草素（shikonin）、Tideglusib和PX-12等多種對主蛋白酶有顯著抑制作用的藥物。
據中科院藥物所介紹，上述“抗新冠病毒攻關聯盟”由上海科技大學-清華大學饒子和/楊海濤團隊、中科院上海藥物所蔣華良團隊、軍事科學院軍事醫學研究院秦成峰團隊以及中科院武漢病毒所石正麗團隊、肖庚富團隊等組成。國家蛋白質科學中心（上海）主任兼上海科技大學生命科學與技術學院教授許文青、澳大利亞昆士蘭大學的Luke W. Guddat教授也參與了此項研究。
該項研究的通訊作者為上海藥物所研究員兼上海科技大學免疫化學研究所特聘教授蔣華良院士、清華大學教授兼上海科技大學免疫化學研究所特聘教授饒子和院士、上海科技大學免疫化學研究所課題組長楊海濤研究員（兼生命科學與技術學院副教授）。
新冠疫情在中國尚處于爬坡期的1月25日，中國科學院上海藥物研究所曾宣布：由蔣華良院士和饒子和院士領銜、20余個課題組參與的中國科學院上海藥物研究所和上海科技大學免疫化學研究所抗新冠病毒感染聯合應急攻關團隊篩選出了30種具備治療潛力的藥物。隨后的1月26日，饒子和/楊海濤課題組測定的新冠病毒主蛋白酶（Mpro）的高分率晶體結構對外公布，以便有更多的科技工作者、特別是從事藥物研發的科技人員使用。
新冠病毒是一種單鏈RNA正鏈包膜乙型冠狀病毒，入侵細胞后，新冠病毒會立即利用細胞內的物質合成自身復制必需的兩條超長復制酶多肽（pp1a和pp1ab）。這兩條復制酶多肽需要被剪切成多個零件（如RNA依賴的RNA聚合酶、解旋酶等等）；這些零件進一步組裝成一臺龐大的復制轉錄機器，然后病毒才能啟動自身遺傳物質的大量復制。
兩條復制酶多肽的剪切要求異常精確，因此病毒自身編碼了一把神奇的“魔剪”——主蛋白酶Mpro。Mpro在復制酶多肽上存在至少11個切割位點，只有當這些位點被正常切割后，這些病毒復制相關的“零件”才能順利組裝成復制轉錄機器，啟動病毒的復制。
正是由于主蛋白酶在病毒復制過程中起到至關重要的作用，且人體中并無類似的蛋白質，因此主蛋白酶就成為一個抗新冠病毒的關鍵藥靶，抑制這種酶的活性將有效阻止病毒復制。
值得一提的是，除了主蛋白酶Mpro，此次疫情期間，饒子和團隊還領銜成功解析了新型冠狀病毒RNA依賴性RNA聚合酶（RdRp）的結構，率先探討了廣受關注的抗病毒藥物瑞德西韋（GS-5734）治療新冠肺炎的病毒靶標。其團隊在SARS（嚴重急性呼吸綜合征）疫情暴發期間，就曾在世界上解析了首個SARS病毒蛋白質（主要蛋白酶）的三維空間結構。
全球首次解析新冠病毒“主蛋白酶-N3”三維空間結構
研究團隊通過質譜法測定了COVID-19病毒Mpro的分子量為33797.0 Da，與其理論分子量33796.8 Da相符。
在此前的研究中，研究團隊使用計算機輔助藥物設計設計了邁克爾受體抑制劑N3，該抗體可以特異性抑制多種冠狀病毒主要蛋白酶，其中包括SARS-CoV（嚴重急性呼吸系統綜合征冠狀病毒）和MERS-CoV（中東呼吸系統綜合癥冠狀病毒）的Mpro。
研究人員接下來構建了新冠病毒Mpro的同源性模型，并使用分子對接來確定N3是否可以靶向這種新的冠狀病毒的Mpro。
研究人員發現，一個對接形態表明N3可以進入底物結合口袋（the substrate-binding pocket），而這一“口袋”恰恰因為高度保守性而可以作為設計廣譜抑制劑的藥物靶標。
（左）新冠病毒主蛋白酶-抑制劑N3的復合物結構；（右）冠狀病毒主蛋白酶的底物結合口袋是一個保守藥物設計靶點
隨后，研究團隊利用晶體衍射技術，獲得了分辨率為2.1埃的N3與Mpro復合物結構。在新冠病毒主要蛋白酶結構中，結構域I和結構域II形成六鏈反平行β-桶形結構，在它們之間的裂縫中帶有底物結合位點，即藥物靶標“口袋”。
值得注意的是，早在1月26日，研究團隊測定的Mpro高分率晶體結構已在PDB蛋白質結構數據庫（Protein Data Bank, PDB）上公開。自1月26日起，團隊已為國內外300多家高校、研究機構及企業的實驗室直接提供了數據。該結構也被PDB蛋白質結構數據庫選為2020年2月的明星分子（February Molecule of the Month）。
事實上，隨著新冠疫情在全球暴發，科學家們一直在努力尋找有效的病毒抑制劑。此前3月20日，《科學》（Science）雜志發表了德國呂貝克大學生物化學研究所Rolf Hilgenfeld等人的研究，他們通過對新冠病毒主要蛋白酶結構的解析，對此前的抑制劑進行了優化，并認為一種名為13b的α-酮酰胺抑制劑顯示出明顯的肺向性，并且適用于通過吸入途徑給藥。
多種策略篩選潛在藥物：依布硒和N3均能在細胞水平顯著抑制新冠病毒復制
目前，對于新冠病毒的治療還沒有特效藥物。為了快速發現具有臨床潛力的抗病毒化合物，研究團隊還開發了一種結合從頭設計、虛擬藥物篩選和高通量篩選的策略，以確定現有藥物是否能靶向COVID-19病毒的Mpro。
與N3結合的新冠病毒Mpro復合物結構對于通過計算機篩選來鑒定潛在靶向藥物提供了一種模型，研究人員進而建立了潛在結合化合物的內部數據庫。
結果表明，肉桂硫胺（cinanserin）能夠與底物結合口袋緊密結合，對Mpro的IC50（半抑制濃度）值為125μM。
肉桂硫胺是一種血清胺拮抗制劑，在1960年代已在人體中進行了初步臨床測試，并且先前已顯示出抑制SARS-CoV的Mpro的作用。肉桂硫胺在上世紀70年代用于治療精神分裂癥，對冠狀病毒3CL水解酶具有抑制作用。
團隊認為，它具有作為抗新冠病毒藥物的優化潛力。為了表征其酶促活性并進行抑制劑的高通量篩選，研究團隊開發了一種熒光共振能量轉移（FRET）分析方法。
接下來，攻關“聯盟”繼續聯合利用虛擬篩選和高通量篩選策略相結合的方式，對10000多個老藥、臨床藥物以及天然活性產物進行篩選，發現了數種對主蛋白酶有顯著抑制作用的先導藥物，其中包括雙硫侖（disulfiram）、卡莫氟（carmofur）、依布硒（ebselen）、紫草素（shikonin）、Tideglusib和PX-12等。
其中，依布硒對于新冠病毒Mpro的抑制作用最強。值得一提的是，依布硒已用于治療聽力障礙等多種疾病的臨床試驗（完成臨床二期），并具有很好的安全性表現。
為了進一步證實它們體外的酶促抑制結果，研究人員進行了后續的抗新冠病毒實驗，結果表明，依布硒和N3均能在細胞水平顯著抑制新冠病毒的復制。
攻關團隊表示，“在這一研究中，基于結構的從頭設計、計算機虛擬篩選和高通量篩選三種研究策略的結合被證明是找到針對抗新冠病毒藥物的有效策略。”
研究者們認為，這種篩選策略有效性較高，可以快速發現具有臨床潛力的藥物，以應對尚無特定藥物或疫苗的新傳染病。
文獻來源
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2223-y
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