中国医学科学院与帝国理工大学联合研发EV71 3C

作者：杨超月

近日，中国医学科学院病原生物学研究所与帝国理工大学在Acta Pharmaceutica Sinica B（影响因子：11.6）杂志在线发表了题为：“Acrylamide fragment inhibitors that induce unprecedented conformational distortions in enterovirus 71 3C and SARS-CoV-2 main protease”的研究论文，利用基于片段的药物研发（FBDD），研究团队发现了一批新颖骨架共价抑制剂，能够同时靶向EV71 3Cpro 和SARS-CoV-2 Mpro两种蛋白酶。

蛋白酶是重要的抗病毒靶点。许多病毒编码半胱氨酸蛋白酶，例如，EV71 3C属于半胱氨酸蛋白酶，含有典型的Cys-His-Asp催化三联体。冠状病毒主蛋白酶（Mpro）也属于半胱氨酸蛋白酶，与EV71 3C的构象相似，因此，Mpro又称为3C-like protease （3CL）。针对半胱氨酸蛋白酶，中国医学科学院病原生物学研究所崔胜研究团队和帝国理工大学的David Mann团队联手，利用 Quantitative Irreversible Tethering (qIT) 高通量片段筛选技术，首先发现了一系列共价结合EV71 3Cpro的丙烯酰胺片段（图1）。通过高分辨率晶体结构（1.3Å）解析，揭示了丙烯酰胺片段1，2与EV71 3Cpro活性中心Cys的结合模式，发现共价抑制剂能够破坏催化三联体的天然构象（图2），证明了这些片段具有抑制3C蛋白酶的体外活性。

图1 基于qIT技术筛选共价结合EV71 3Cpro的化合物片段

图2 EV71 3Cpro与化合物片段1，2的复合物晶体结构（1.3Å）

2020年，突如其来的新冠疫情让各国科学家积极参与抗新冠药物研发。因此，两个研究团队迅速调整研究方向，针对和 SARS-CoV-2 Mpro 展开FBDD研究。经过多轮针对Mpro的片段筛选和构效关系优化，研究团队发现化合物片段2，5具有抑制Mpro的活性，进而解析了Mpro-片段的复合物结构（图3），揭示了化合物片段的结合靶点及抑制Mpro活性的分子机制。

图3 SARS-CoV-2 Mpro与化合物2和5 的复合物晶体结构

值得关注的是，化合物片段5能够既能够结合EV71 3Cpro的活性中心，又能够结合SARS-CoV-2 Mpro的活性中心，发挥广谱蛋白酶抑制活性；表明该分子属于双靶点抑制剂，具有研发广谱抗病毒药物的潜力。研究团队进而深入研究了片段5抑制SARS-CoV-2 Mpro 活性的机理，发现，该化合物的结合靶点位于Mpro的二聚界面，能够干扰SARS-CoV-2 Mpro 二聚体的形成，发挥别构抑制酶活性的作用（图4）。

图4 化合物片段5干扰SARS-CoV-2 Mpro二聚化，别构抑制其活性

基于片段的药物研发FBDD的价值在于突破现有化合物库的化学空间，发现新颖骨架苗头分子。新冠疫情以来，“老药新用”策略的效果并不显著，说明现有化合物库中缺乏抗病毒分子。因此，利用FBDD进行原创药物研发是应对现有及未来突发疫情的关键策略。需要注意的是：该研究中所发现的化合物片段尚不具有很高的抗病毒活性，因为，它们并不是完整的药物分子，故此称“片段”。片段是原创药物研发的重要“苗头分子”；基于片段拓展功能基团，提升抗病毒活性和成药性是该研究团队下一阶段的工作目标。

中国医学科学院病原生物学研究所崔胜研究员和英国帝国理工大学David Mann为本文通讯作者；崔胜研究团队主管技师秦博，英国帝国理工大学的Gregory Craven和博士研究生侯彭姣为本文的共同第一作者。该研究获得了中国医学科学院医学科技创新工程，国家重点研发专项，国家自然基金等项目的资助。

参考文献

1. Lee, K.Y., Enterovirus 71 infection and neurological complications. Korean J Pediatr, 2016. 59(10): p. 395-401.

2. Nhan, L.N.T., et al., Severe enterovirus A71 associated hand, foot and mouth disease, Vietnam, 2018: preliminary report of an impending outbreak. Euro Surveill, 2018. 23(46).

3. Lin, J.Y., Y.A. Kung, and S.R. Shih, Antivirals and vaccines for Enterovirus A71. J Biomed Sci, 2019. 26(1): p. 65.

4. Hu, B., et al., Characteristics of SARS-CoV-2 and COVID-19. Nat Rev Microbiol, 2021. 19(3): p. 141-154.

5. Hilgenfeld, R., From SARS to MERS: crystallographic studies on coronaviral proteases enable antiviral drug design. Febs j, 2014. 281(18): p. 4085-96.

6. Sun, D., et al., Roles of the Picornaviral 3C Proteinase in the Viral Life Cycle and Host Cells.Viruses, 2016. 8(3): p. 82.