약물 수용체 지도 가상 스크리닝으로 COVID-19 약물 재창출 강화

약물 재창출(승인되었거나 연구 중인 약물을 새로운 치료 용도로 재할당)은 신속한 치료제 발견의 초석이 되어왔습니다.¹ 가장 유명한 성공 사례인 고혈압 및 협심증 약물이 화이자의 '작은 파란 알약' 비아그라로 변모한 것은 그 잠재적 영향을 보여줍니다. COVID-19 이후 이 전략이 다시 전 세계적 주목을 받고 있습니다.

3차원 단백질 모델링은 약물 재창출을 위한 여러 인 실리코 도구를 제공합니다. 이 시리즈의 이전 연구는 분자 도킹이 SARS-CoV-2 주 프로테아제(M^pro)의 잠재적 억제제를 식별하는 방법을 보여주었습니다. 여기서는 약물 수용체 지도 모델링(단백질-리간드 상호작용의 필수적 특징 추상화)이 비교 가능한 통찰을 제공하고 후보 분자 선택에 추가적 확신을 더할 수 있는지 묻습니다.

대안적 접근으로서 약물 수용체 지도 모델링

약물 수용체 지도 모델은 리간드가 단백질 표적에 결합하게 하는 핵심 비공유 상호작용을 추출하여 전통적 시뮬레이션 방법에 대한 보완적 관점을 제공합니다. 우리는 Diamond Light Source에서 얻은 SARS-CoV-2 M^pro 결정 구조 세트로 시작했습니다.² 구조들을 정렬한 후, BIOVIA Discovery Studio의 "상호작용 약물 수용체 지도 생성" 프로토콜을 사용하여 각 단백질-리간드 복합체에서 약물 수용체 지도 특징을 추출했습니다. 특징 수는 5R80과 5R7Y의 2개부터 6LU7의 9개까지 다양했습니다. 겹치는 특징을 병합하고 단순화함으로써, 우리는 프로테아제와 잠재적 결합체의 중요한 분자간 접촉을 캡슐화하는 14개 특징의 합의 약물 수용체 지도에 도달했습니다.

이 모델을 개선하기 위해 모든 복합체에서 활성 부위 잔기에 대한 인 실리코 알라닌 스캐닝 돌연변이 유도를 수행했습니다. 8개 잔기(HIS41, MET49, ASN142, HIS163, MET165, PRO168, GLN189, GLN192)가 적어도 한 복합체에서 핫스팟으로 나타났으며, 3개 잔기(HIS41, MET49, MET165)는 4개 이상의 복합체에서 핫스팟으로 확인되었습니다. 14개 약물 수용체 지도 특징 중 6개가 이 핫스팟 잔기와의 상호작용에 직접 매핑되었습니다. 비공유 M^pro 리간드 복합체의 두 번째 데이터셋은 대체 결합 모드를 드러내어, 후속 가상 스크리닝을 위해 6개 핵심 특징을 두 그룹으로 분리하게 했습니다.

이 개선된 약물 수용체 지도를 사용하여 2,650개 FDA 승인 약물 라이브러리를 스크리닝했으며, 각 약물은 검색 가속화를 위해 여러 리간드 컨포메이션으로 사전 생성되었습니다. 히트는 두 필수 그룹 각각에서 적어도 1개 특징과 나머지 8개에서 최소 2개 추가 특징을 매칭하여 정의했습니다. 이 엄격한 기준은 중요한 잔기와의 상호작용을 보존하면서 결합 모드의 다양한 탐색을 보장했습니다. 스크리닝 알고리즘은 12,000개 이상의 약물 수용체 지도 조합을 탐색했습니다. 각 히트에 대해 단백질 맥락에서 에너지 최소화를 수행하고 CHARMm을 사용하여 Generalized Born/Volume(GBMV) 암시적 용매 모델로 결합 에너지를 계산했습니다. 이는 약물 수용체 지도에 의해 제약된 도킹 계산과 효과적으로 같습니다.

우리는 촉매 이중항(HIS41/CYS145)을 구성하고 여러 핫스팟 잔기에 공통적인 4개 핵심 잔기(HIS41, MET49, CYS145, MET165)와 관여하는 포즈에 초점을 맞췄습니다. 계산된 결합 자유 에너지로 정렬하여 상위 10개 후보를 도출했습니다. 이전 도킹 연구에서 이미 강조된 Ritonavir는 두 분석 모두에서 7위를 차지했으며 현재 여러 COVID-19 임상 시험 중입니다.³

비디오 1: HIS41, MET49, SER144, CYS145, MET165, GLU166, GLN189와 상호작용하는 Ritonavir의 최고 득점 포즈.

이 약물 수용체 지도 주도 접근법에서 선두 후보는 시스테이닐 류코트리엔 수용체 길항제인 Montelukast였습니다. 최근 문헌은 COVID-19 진행 완화 잠재력을 시사합니다.⁴

기타 고득점 화합물로는 Telmisartan, Moexipril, hydroxychloroquine이 있으며, 각각 재창출 잠재력으로 최근 검토되었고 hydroxychloroquine이 가장 많은 논쟁을 낳았습니다.⁵ 주목할 점은 약물 수용체 지도 유도 히트 리스트가 도킹 단독 리스트(HCV 또는 HIV 프로테아제 억제제 우세)보다 더 다양한 표적 클래스를 보여주었다는 것입니다.

우리의 결과는 인 실리코 알라닌 스캐닝 돌연변이 유도를 약물 수용체 지도 모델링에 통합하면 가상 스크리닝을 개선하여 다양한 약물 후보의 우선순위 세트를 산출할 수 있음을 보여줍니다. 도킹 유도 리드와의 겹침은 적었지만, Ritonavir의 공통 식별은 합의 접근법의 가치를 강조합니다. 두 방법의 최강 후보를 결합하면 더 집중된 실험적 검증을 안내할 수 있습니다.

요약하면, 약물 수용체 지도 가이드 가상 스크리닝은 도킹에 대한 강력하고 보완적인 전략으로, 후보 선택에 대한 확신을 높이고 COVID-19 치료제를 위한 화학적 공간 탐색을 확장합니다.