FDA 승인 약물 재창출로 SARS-CoV-2 주 프로테아제 억제: 가상 스크리닝 분석

SARS-CoV-2 주 프로테아제 표적화

새로운 항바이러스제 개발은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸립니다. 글로벌 팬데믹 한가운데서 시급한 필요는 바이러스 복제를 신속히 중단할 수 있는 약물을 식별하는 것입니다. 이미 인간에서 안전성이 입증된 의약품을 활용하는 약물 재창출은 유망한 지름길을 제공합니다. 단일 약물이 겸손한 이점을 제공할 수 있지만, HIV 치료 사례처럼 여러 바이러스 단백질을 공격하는 전략적 조합은 상당한 임상적 이득을 낳을 수 있습니다. 핵심 질문: SARS-CoV-2에 대해 가장 효과적인 조합은 무엇일까요?

우리 연구는 잘 특성화된 SARS-CoV 프로테아제의 마이크로몰 억제제 결합 구조와 비교하여 프로테아제의 활성 부위 구조에 초점을 맞춥니다. 이 구조적 통찰은 SARS-CoV-2에 대한 강력한 억제제 설계로 이어집니다.

그 후 FDA 승인 약물 라이브러리의 가상 스크리닝을 수행하여 프로테아제에 결합할 것으로 예측되는 분자를 식별하고 조합 치료에서의 잠재력을 평가했습니다.

SARS-CoV-2 단백질

환자에서 시퀀싱된 바이러스 게놈의 빠른 공개로 수많은 잠재적 약물 표적의 서열이 제공되었습니다. 이들 중 다수는 SARS-CoV 대응 단백질과 높은 유사성을 공유하여 초기 동질성 모델링을 가능하게 했습니다. 실험적 구조(X-선, Cryo-EM)가 공개됨에 따라 드러거블 사이트에 대한 이해가 정교해졌습니다.

코로나바이러스 중 주 프로테아제(Mpro, 3CL 프로테아제로도 알려짐)는 주요 약물 표적입니다. 파파인 유사 프로테아제와 함께 Mpro는 폴리단백질 1ab을 11개 정의된 부위에서 절단하며, 이는 바이러스 성숙에 필수적입니다.

Mpro 억제는 복제를 차단합니다. 인간 프로테아제 중 그 절단 특이성을 공유하는 것이 없어 억제제는 표적 외 독성을 보일 가능성이 낮습니다.

재창출을 위한 구조 기반 설계: Mpro

Mpro는 호모다이머로 기능합니다(Fig. 2), 각 서브유닛은 촉매 His41/Cys145 이중항을 포함합니다.

SARS-CoV-2 프로테아제는 SARS-CoV 조상과 96.1% 동일성, 99% 유사성을 공유합니다. 활성 부위에서 단 하나의 잔기만 다릅니다: 위치 46이 알라닌 대신 세린입니다(Fig. 3).

마이크로몰 억제제와 복합된 수많은 SARS-CoV Mpro 구조가 사용 가능하며, 가장 강력한 리간드는 공유결합성입니다. 활성 부위는 다양한 화학형을 수용하는 4개 서브사이트(S1′, S1, S2, S4)로 세분됩니다.

고친화도 복합체(PDB 2ZU4, 2GX4; Ki = 0.038µM, 0.053µM)에서 시스테인 145 티올이 억제제와 공유결합을 형성하여 강한 결합을 위한 공유결합 관여의 중요성을 강조합니다.

이 상호작용의 상세 분석은 도킹 연구에서 모니터링할 핵심 접촉을 알려줍니다.

가상 스크리닝 워크플로

2월 공개된 공유결합 억제제 N3과 결합된 SARS-CoV-2 프로테아제 다이머의 2.5Å 결정 구조(PDB 6LU7)를 사용하여 체계적 가상 스크리닝을 수행했습니다. N3은 기질 결합 포켓을 연장된 컨포메이션으로 차지합니다(Fig. 5).

우리 라이브러리는 분자량 800Da 미만의 2,684개 FDA 승인 약물로 구성되었습니다. 도킹은 GOLD(CCDC)로 수행되었고, CHARMM/GBMV로 결합자유에너지 계산을 했습니다. 각 포즈는 제자리 리간드 최소화(14Å 구체)와 리간드 엔트로피 추정을 거쳤습니다. 상위 득점 화합물 다수는 알려진 HIV/HCV 프로테아제 억제제였습니다(Fig. 6).

최고 후보인 Troxerutin(플라보노이드)이 높은 점수를 받았습니다. 플라보노이드는 문서화된 프로테아제 억제 활성이 있으며, herbacetin, rhoifolin, pectolinarin의 SARS-CoV 대상 최근 IC₅₀ 값은 각각 33.17, 27.45, 37.78µM이었습니다.

Dipyridamole(Fig. 7)이 5위를 차지했습니다. 최근 사전출판 연구는 HCoV-19 복제를 in vitro에서 EC₅₀ 100nM으로 억제하는 능력을 보고했습니다.

HIV 프로테아제 억제제의 사전출판 연구는 SARS-CoV-2에 대한 활성을 추가로 지지합니다. 예를 들어 Nelfinavir는 Vero E6 세포에서 바이러스 복제를 억제했습니다.

Ritonavir와 Lopinavir는 촉매 잔기 및 추가 핵심 측쇄(GLU166, PRO168, GLN189)와 상호작용하며 임상 조사 중입니다. 그러나 SARS-CoV-2에 대한 이들 제제의 IC₅₀ 데이터는 아직 없습니다.

Atazanavir도 감염 세포에서 활성을 보여 바이러스 복제와 염증성 사이토카인 생성을 감소시켰습니다. 새로 공개된 구조(PDB 6W63)는 억제제 X77을 특징으로 하며 6LU7과 유사한 결합 부위 방향을 공유합니다. 재도킹은 비교 가능한 예측을 확인했습니다.

함의와 미래 방향

4개 서브사이트로 Mpro 포켓은 중간 친화도의 다양한 리간드를 수용할 수 있습니다. 가상 스크리닝은 따라서 후보 억제제를 식별하고 결합 모드를 규명하는 강력한 도구로 작용합니다.

이러한 계산적 가설은 실험적 검증(IC₅₀ 측정, 공유결합 도킹, 약동학 프로파일링)을 거쳐 임상적으로 실행 가능한 치료제로 개발되어야 합니다. 특히 공유결합 억제제는 종종 우수한 효능과 지속적 작용을 보여 매력적인 리드입니다.

궁극적으로 이 작업은 COVID-19에 대한 기존 약물 재창출을 위한 신속한 구조 가이드 로드맵을 제공하여 벤치에서 베드사이드로의 긴급한 전환을 촉진합니다.

우리는 Cambridge Crystallographic Data Centre의 GOLD 접근에 감사드립니다. 가상 스크리닝과 리드 최적화에서의 입증된 효능이 이 연구를 뒷받침합니다. Discovery Studio 내에서 GOLD 인터페이스를 사용할 수 있습니다.