Статья:

РАЦИОНАЛЬНЫЙ ДИЗАЙН ИНГИБИТОРОВ ГЕЛИКАЗЫ NSP13 КОРОНАВИРУСОВ

Конференция: XLIX Международная научно-практическая конференция «Научный форум: медицина, биология и химия»

Секция: Медицинская химия

Выходные данные

Ширяев В.А. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ДИЗАЙН ИНГИБИТОРОВ ГЕЛИКАЗЫ NSP13 КОРОНАВИРУСОВ // Научный форум: Медицина, биология и химия: сб. ст. по материалам XLIX междунар. науч.-практ. конф. — № 2(49). — М., Изд. «МЦНО», 2022. — С. 13-20.

К условиям публикации Скачать сборник

Конференция завершена

Мне нравится

XLIX Международная научно-практическая конференция «Научный форум: медицина, биология и химия»

на печатьскачать .pdf поделиться

РАЦИОНАЛЬНЫЙ ДИЗАЙН ИНГИБИТОРОВ ГЕЛИКАЗЫ NSP13 КОРОНАВИРУСОВ

Ширяев Вадим Андреевич

канд. хим. наук, доцент, доцент кафедры органической химии Самарского государственного технического университета, РФ, г. Самара

RATIONAL DESIGN OF CORONAVIRAL HELICASE NSP13 INHIBITORS

Vadim Shiryaev

Candidate of Chemical Sciences, docent at Department of organic chemistry Samara State Technical University, Russia, Samara

Аннотация. Проведен обзор потенциальных мишеней коронавирусов и для одной из потенциальных мишеней – геликазы Nsp13 – проведен молекулярный докинг для выявления ее потенциальных ингибиторов.

Abstract. A review of potential targets of coronaviruses was carried out, and for one of the potential targets, Helicase Nsp13, molecular docking was carried out to identify its potential inhibitors.

Ключевые слова: коронавирус; геликаза; Nsp13; каркасные соединения.

Keywords: coronavirus; Helicase, Nsp13; cage compounds.

В настоящее время особенно серьезной проблемой в медицине является терапия вирусных заболеваний. К 2020 г. всего зарегистрировано 93 противовирусных препарата, направленных на лечение заболеваний, вызываемых только лишь 9 вирусами: вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ), вирусом гепатита В, вирусом гепатита С, вирусом герпеса, вирусом гриппа, цитомегаловирусом, вирусом варицелла-зостер, респираторно-синцитиальным вирусом и вирусом папилломы человека [1, 2].

До настоящего времени поиски препаратов направленного действия против коронавирусов не принесли положительных результатов. Несмотря на возникновение новых штаммов коронавирусов, приводящих к более легкому течению заболевания, и наличие действующих вакцин, вероятность возникновения новых вспышек тяжелого острого респираторного синдрома (ТОРС / SARS) вследствие вероятности снижения эффективности вакцин из-за мутации вируса, а также терапия пациентов, вакцинация которых по невозможна, требуют поиска химиотерапевтических препаратов, способных воздействовать на коронавирусы.

В настоящее время не существует химиотерапевтических препаратов, обладающих подтвержденной активностью in vivo в отношении коронавирусов, в том числе штамма, вызвавшего текущую пандемию SARS2-CoV-2 (2019-nCoV). Среди исследователей преобладают два основных направления поиска: перепрофилирование (перепозиционирование) существующих лекарственных препаратов и дизайн низкомолекулярных ингибиторов функций вирусных и вовлеченных клеточных белков. На настоящий момент для 20 потенциальных мишеней известна трехмерная структура. Наиболее перспективными точками вмешательства в репродуктивный цикл в настоящее время считаются: химотрипсин-подобная протеиназа 3cpro/Mpro/nsp5 [4], папаин-подобная протеиназа PLpro [5], ионный канал E [6], поверхностный белок S/spike [7], вирусная геликаза nsp13 [8], митоген-активированная протеин киназа и РНК-зависимая РНК-полимераза RdRp [9].

Среди других перспективных вирусных мишеней имеется класс белков, принимающих участие в репликации ДНК и трансляции РНК – геликазы [Nat. Rev. Drug Disc., 2005, 4, 845–853]. Основной функцией геликаз является разделение цепей двухцепочечной молекулы ДНК или внутримолекулярных связей в молекулах РНК, используя энергию гидролиза АТФ или ГТФ. Коронавирусы также имеют ген, кодирующий геликазу nsp13 [8, 11], для которой известна трехмерная модель комплекса транскрипции [12], а также имеются модели комплексов геликазы с серией малых молекул (записи 5RL6-5RL9, 5RLB-5RLW, 5RLY-5RLZ, 5RM0-5RM9, 5RMA-5RMM из базы данных RCSB PDB). Для данной геликазы in vitro обнаружен ряд ингибиторов – производных оксазолопиридина [13], порфиринового комплекса висмута [14], 1,2,4-триазола [15], бананина [16, 17], производных дигидрохромона [18-20] и арилдикетокислот [21]

Рисунок 1. Некоторые ингибиторы геликазы Nsp13 коронавирусов

Под формулами указаны полуингибирующие концентрации в мкМ/л.

В соответствии с экспериментальными данными мы предприняли попытку виртуального дизайна потенциальных ингибиторов коронавирусной геликазы Nsp13. В качестве модели была выбраны трехмерная структура 6JYT из банка данных трёхмерных структур белков и нуклеиновых кислот PDB, определенная при помощи рентгеноструктурного анализа.

В качестве возможных лигандов была генерирована серия соединений, содержащих фрагменты адамантан, гомоадамантана и бицикло[3.3.1]нонана и имеющих остатка карбо и гетероциклов различной степени замещенности. Общий размер виртуальной библиотеки составил 250 соединений. В качестве сайта связывания бы выбран карман, предназначенные для размещения одной из цепей РНК. Результаты докинга базы виртуальных соединений позволили выбрать несколько структур, обладающих наибольшими расчетными энергиями связывания с геликазой. Анализ взаимодействий лиганд белок показал, что чаще всего возникают контакты с аминокислотными остатками пролина 284, глутамина 375, метионина 378, глутамина 404, и аргинина 567 (Таблица 1). Область связывания лигандов и важнейшие аминокислотные остатки показаны на рисунке 2.

Таблица 1.

Результаты молекулярного докинга виртуальной базы соединений в сайт связывания геликазы nsp13 и наиболее важные для связывания аминокислотные остатки

№	Оценочная энергия связывания, кДж/моль	Взаимодействия с белком
1	-8,3	Lys288, Glu375, Met378, Gln404, Arg567
2	-7,9	Gly282, Pro284, Cys288, Glu375, Gly538, Arg567
3	-7,6	Gly538, Glu540, Arg567
4	-7,6	Pro284, Glu375, Gln404, Gln537
5	-7,6	Gly285, Met378, Gln404, Gln537, Glu540, Arg567
6	-7,2	Pro284, Gly285, Lys288, Glu375, Asp401
7	-7,1	Met378, Gln404, Arg567
8	-7,1	Pro284, Arg567

Рисунок 2. Наложение лигандов, показавших лучшие энергии связывания, в сайте геликазы Nsp13

Экспериментальная часть. Подготовка лигандов. Структуры лигандов проходили первоначальную оптимизацию при помощи программного пакета Avogadro 1.2.1 в силовом поле MMFF94. Полученные трехмерные модели конвертировались в формат, подходящий для программы докинга AutoDock Vina при помощи пакета визуализации AutoDock Tools.

Подготовка белка. Трехмерная модель 6JYT была получена из банка данных трёхмерных структур белков и нуклеиновых кислот PDB и проверена на наличие ошибок в расположении тяжелых атомов и позиций водорода. Из модели была удалена вода и низкомолекулярные соединения, и получившаяся структура конвертировалась в формат, подходящий для программы докинга AutoDock Vina при помощи пакета визуализации AutoDock Tools.

Проведение молекулярного докинга и анализ результатов. В качестве места для проведения молекулярного докинга был выбран бокс размером 20х25х20 Å с координатами центра -16.98 Å, -0.21 Å и 0.84 Å. Отбор наилучших соединений производился по значениям расчетной энергии связывания меньше 7,1 кДж/моль. Визуализация контактов лиганд-аминокислота и общего расположения лиганда в кармане связывания производилось при помощи пакета Biovia Discovery Studio 2019.

Вывод. На основе виртуальной модели геликазы Nsp13 коронавирусов при помощи молекулярного докинга были определены потенциальные ингибиторы работы данного белка и определены критические виды взаимодействия белок-лиганд для проявления эффективного связывания потенциального лекарственного препарата с мишенью.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ 20-53-04035).

Список литературы:

1. De Clercq E., Li G. Approved Antiviral Drugs over the Past 50 Years // Clin. Microbiol. Rev. - 2016 – V.29(3) – P. 695-747. doi: 10.1128/CMR.00102-15.

2. Chaudhuri S., Symons J.A., Deval J. Innovation and trends in the development and approval of antiviral medicines: 1987-2017 and beyond // Antiviral Res. – 2018 – V. 155 – P. 76-88. doi:10.1016/j.antiviral.2018.05.005

3. Pillaiyar T., Meenakshisundaram S., Manickam M. Recent discovery and development of inhibitors targeting coronaviruses // Drug Discovery Today – 2020 – V. 25(4) – P. 668-688. doi: 10.1016/j.drudis.2020.01.015.

4. Li G., De Clercq E. Therapeutic options for the 2019 novel coronavirus (2019-nCoV) // Nat Rev Drug Discov. - 2020 – V. 19(3) – P. 149-150. doi: 10.1038/d41573-020-00016-0. PMID: 32127666.

5. Sheahan T.P., Sims A.C., Leist S.R. Comparative therapeutic efficacy of remdesivir and combination lopinavir, ritonavir, and interferon beta against MERS-CoV // Nat. Commun. – 2020 – V. 11 – P. 222-224. doi: 10.1038/s41467-019-13940-6

6. Alam I., Kamau A. A., Kulmanov M., Jaremko Ł., Arold S. T., Pain A., Gojobori T., Duarte C. M. Functional Pangenome Analysis Shows Key Features of E Protein Are Preserved in SARS and SARS-CoV-2 // Front. in Cell. and Infect. Microbiol. – 2020 – V. 10. doi: 10.3389/fcimb.2020.00405

7. Liu J., Cao R., Xu M., Wang X., Zhang H., Hu H., Li Y., Hu Z., Zhong W., Wang M. Hydroxychloroquine, a less toxic derivative of chloroquine, is effective in inhibiting SARS-CoV-2 infection in vitro // Cell. Discov. - 2020 – V. 6 – P.16. doi: 10.1038/s41421-020-0156-0

8. Jia Z., Yan L., Ren Z., Wu L., Wang J., Guo J., Zheng L., Ming Z., Zhang L., Lou Z., Rao Z. Delicate structural coordination of the Severe Acute Respiratory Syndrome coronavirus Nsp13 upon ATP hydrolysis // Nucleic Acids Res. - 2019 – V. 47(12) – P. 6538-6550. doi: 10.1093/nar/gkz409

9. Wang M., Cao R., Zhang L., Yang X., Liu J., Xu M., Shi Z., Hu Z., Zhong W., Xiao G. Remdesivir and chloroquine effectively inhibit the recently emerged novel coronavirus (2019-nCoV) in vitro // Cell Res. – 2020 – V. 30(3) – P. 269-271. doi: 10.1038/s41422-020-0282-0

10. Kwong A.D., Rao B.G., Jeang K.T. Viral and cellular RNA helicases as antiviral targets // Nat. Rev. Drug. Discov. - 2005 – V. 4(10) – P. 845-53. doi: 10.1038/nrd1853

11. Habtemariam S., Nabavi S.F., Banach M., Berindan-Neagoe I., Sarkar K., Sil P.C., Nabavi S.M. Should We Try SARS-CoV-2 Helicase Inhibitors for COVID-19 Therapy? // Arch. Med. Res. – 2020 – V. 51(7)- P. 733-735. doi: 10.1016/j.arcmed.2020.05.024

12. Chen J., Wang Q., Malone B. Ensemble cryo-EM reveals conformational states of the nsp13 helicase in the SARS-CoV-2 helicase replication–transcription complex // Nat. Struct. Mol. Biol. – 2022 – V. 29- P. 250–260. doi: 10.1038/s41594-022-00734-6

13. Kao R.Y., Tsui W.H., Lee T.S., Tanner J.A., Watt R.M., Huang J.D., Hu L., Chen G., Chen Z., Zhang L., He T., Chan K.H., Tse H., To A.P., Ng L.W., Wong B.C., Tsoi H.W., Yang D., Ho D.D., Yuen K.Y. Identification of novel small-molecule inhibitors of severe acute respiratory syndrome-associated coronavirus by chemical genetics // Chem. Biol. - 2004 – V.11(9) – P. 1293-1299. doi: 10.1016/j.chembiol.2004.07.013

14. Yang N., Tanner J.A., Wang Z., Huang J.D., Zheng B.J., Zhu N., Sun H. Inhibition of SARS coronavirus helicase by bismuth complexes // Chem. Commun. (Camb). - 2007 – V. 42 – P. 4413-4415. doi: 10.1039/b709515e

15. Sarafianos S. G., Adedeji A. O. Suppression of Sars Replication by Sars Helicase Inhibitors // патент – 2013 - WO2013/188887 A1

16. Kesel J. A. The Bananins: New Anticorona-RNA-Viral Agents with Unique Structural Signature // Anti-Infect. Agents in Med. Chem. – 2006 – V. 5(2) – P. 161-174. doi: 10.2174/187152106776359039

17. Tanner J.A., Zheng B.J., Zhou J., Watt R.M., Jiang J.Q., Wong K.L., Lin Y.P., Lu L.Y., He M.L., Kung H.F., Kesel A.J., Huang J.D. The adamantane-derived bananins are potent inhibitors of the helicase activities and replication of SARS coronavirus // Chem. Biol. – 2005 – V. 12(3) – P. 303-311. doi: 10.1016/j.chembiol.2005.01.006

18. Lee C., Lee J.M., Lee N.R., Kim D.E., Jeong Y.J., Chong Y. Investigation of the pharmacophore space of Severe Acute Respiratory Syndrome coronavirus (SARS-CoV) NTPase/helicase by dihydroxychromone derivatives // Bioorg. Med. Chem. Lett. – 2009 – V. 19(16) – P. 4538-4541. doi: 10.1016/j.bmcl.2009.07.009

19. Kim M.K., Yu M.S., Park H.R., Kim K.B., Lee C., Cho S.Y., Kang J., Yoon H., Kim D.E., Choo H., Jeong Y.J., Chong Y. 2,6-Bis-arylmethyloxy-5-hydroxychromones with antiviral activity against both hepatitis C virus (HCV) and SARS-associated coronavirus (SCV) // Eur. J Med. Chem. – 2011 – V. 46(11) – P. 5698-5704. doi: 10.1016/j.ejmech.2011.09.005

20. Yoon H.-J., Kim M.-K., Mok H.-J., Chong Y.-H. Selective Anti-HCV Activity of 6,7-Bis-O-Arylmethyl-5,6,7-Trihydroxychromone Derivatives // Bull. Kor. Chem. Soc. – 2012 - V. 33(8) – P. 2803-2805. doi:10.5012/BKCS.2012.33.8.2803

21. Lee C., Lee J.M., Lee N.R., Jin B.S., Jang K.J., Kim D.E., Jeong Y.J., Chong Y. Aryl diketoacids (ADK) selectively inhibit duplex DNA-unwinding activity of SARS coronavirus NTPase/helicase // Bioorg. Med. Chem. Lett. - 2009 – V. 19(6) – P. 1636-1638. doi: 10.1016/j.bmcl.2009.02.010

РАЦИОНАЛЬНЫЙ ДИЗАЙН ИНГИБИТОРОВ ГЕЛИКАЗЫ NSP13 КОРОНАВИРУСОВ

Похожие статьи