基于新型冠状病毒SARS-CoV-2主蛋白酶结构的小分子抑制剂虚拟筛选

徐浩 薛瑞 李娟 李波 陈舟 朴莲花 常珊 孔韧

摘    要：通过使用分子对接与虚拟筛选技术，以SARS-CoV-2主蛋白酶（Main Protease，Mpro）为靶点，利用Autodock Vina软件和Python脚本进行分子对接，结合小分子的对接评分与结合模式分析，筛选出特异性作用于主蛋白酶的小分子抑制剂。结果发现，以SARS-CoV-2主蛋白酶原配体N3为对照，Reactive blue 2等分子具有更好的对接打分与合理的结合模式，或可成为潜在的主蛋白酶小分子抑制剂，可为寻找抗新冠病毒治疗药物提供线索。

关键词：分子对接;COVID-19;虚拟筛选;主蛋白酶;小分子抑制剂

中图分类号：R914             文献标识码：A               文章编号：2095-7394（2021）02-0065-07

2019年12月，我国武汉市出现了一种传染性极强的疾病[1]，其病原体被发现是一种新的冠状病毒，世界卫生组织将这种新型冠状病毒感染的肺炎命名为“COVID-19”。由于引发该肺炎的冠状病毒与引发SARS的冠状病毒具有高度亲缘性[2]，因此该病毒被命名为“SARS-CoV-2”。2020年1月30日，世界卫生组织（World Health Organization）宣布该事件为国际公共卫生事件，并于3月11日报告该疫情为全球性大流行。这是由冠状病毒导致的首次全球疫情大流行。截至2020年10月20日，全球累计确诊病例已超4 000万。由于SARS-CoV-2是一种先前未在人类群体中发现的β属新型冠状病毒，因此目前没有特效治疗药物[3]。随着感染人数的逐渐上升，防控和救治已经成为全球性难题。作为一种β冠状病毒，SARS-CoV-2的遗传物质是单股正链RNA，控制冠状病毒复制的主蛋白酶Mpro在病毒生命周期中有重要作用，Mpro与小核糖核酸病毒3C蛋白酶具有相似的切割位点特异性，这一酶通常被称作3CL蛋白酶[4]。Mpro及其同源酶在病毒复制及转录过程中起到重要作用，因而Mpro受到研究者们的关注[5-7]，该蛋白酶可成为抗新冠病毒药物的重要靶标。

相较2003年的SARS-CoV病毒疫情，COVID-19波及范围广、持续时间长，虽然目前疫情已经得到了较好的控制，但特异性治疗药物缺乏仍是一大问题。因此，寻找新冠病毒主蛋白酶的抑制剂对于抑制此次疫情具有重要的意义[8-9]。本文运用分子对接技术，对Mpro主蛋白酶与小分子的结合进行计算机模拟。对于筛选得到的分子，分析其结合模式，与晶体结构做对比，筛选出具有较为合理结合模式的潜在抑制剂分子，为寻找可能的抗新冠病毒药物提供线索。

1   方法与材料

1.1  复原对接

分子对接实验采用AutoDock Vina[10-11]进行，该程序采用了拉马克遗传算法，结合基于网格的能量估计。为了检验对接实验参数的可行性，对晶体结构进行了复原对接。从RCSB PDB庫中下载PDBID为6LU7的SAR-CoV-2主蛋白酶与抑制剂的复合物结构，分辨率为2.16 ?。将受体蛋白作加氢处理，配体选择可旋转柔性键，使用标准化的流程得到pdbqt文件。以晶体结构中配体的中心位置为对接实验中盒子的中心坐标（center_x = -10.85，center_y = 2.58，center_z = 68.72），定义盒子大小为30×30×30 ?，使其包围整个活性口袋区域。对小分子配体进行加氢处理，并赋予Gasteiger电荷。设置Exhaustiveness参数为12，并定义输出打分最佳的十个构像。采用PyMOL和LigPlot进行结合模式分析[12-13]。

1.2  小分子数据库建立与配体准备

筛选所需要的配体来源于LOPAC?1280-药理学活性化合物文库，合集包括1 280种小分子化合物，其中大部分为已上市的药物分子。下载所有小分子文件，采用Openbabel[14]生成小分子的三维坐标。采用AutoDock添加部分电荷信息转换文件格式，得到pdbqt格式的配体文件（批量处理利用python脚本完成）。

1.3  虚拟筛选

复原对接的结果显示原配体成功对接到靶蛋白的活性中心，表明对接参数设置合理。将靶蛋白与原配体的对接结果作为阳性对照，用python脚本SailVina调用Autodock Vina对小分子化合物库进行批量处理，通过AutoDock Vina得到每一个小分子对应的对接打分情况。本研究筛选出小分子库中打分排名前十位的化合物，并对它们与受体的相互作用及结合模式进行分析，寻找效果最佳的可能的小分子抑制剂。

2    结果与讨论

2.1  复原对接结果分析

6LU7结构由SAR-CoV-2 Mpro与对应的N3抑制剂结合形成，并且表现出配体与活性点位残基的多个分子间相互作用。由文献[15]可知，在6LU7对应的晶体结构中，主蛋白酶由三个结构域组成，N3通过与主蛋白酶底物结合裂缝中残基的多种相互作用而稳定下来。其中，Cys145残基上的S与乙烯基的C发生迈克尔加成形成共价键，键长1.80 ?，在抑制蛋白活性中起到关键性作用。His163、Gly143、Glu166、Phe140等与N3分子形成多个氢键相互作用。N3分子上的Leu嵌入His41、Met49、Met165、Tyr54形成疏水分子口袋，而Ala则被Met165、Leu167的侧链包围，发生疏水相互作用。

使用6LU7晶体结构进行复原分子对接，得到的最佳打分结果为-8.40 kcal/mol。在PyMOL中观察复原对接的结合模式，并分别计算出不同构像与原配体间的RMSD[16]。二号构像与原配体最相似，且算得RMSD值为1.99 ?（<2 ?）（见图1），说明复原对接效果良好。上述结果表明，对接参数设置较为合理，复原对接获得成功。

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责任编辑    王继国