本文根據理化學研究所成果發佈資料編譯而成
日本理化學研究所（以下簡稱「理研」）生命機能科學研究中心計算分子設計研究團隊的小松輝久研究員、衝本憲明高級研究員及泰地真弘人組長等人組成的研究團隊，對新冠電腦病毒傳染症（COVID-19）的致病電腦病毒「SARS-CoV-2」的主蛋白酶（Mpro）蛋白與7種人類免疫不全症病毒（HIV）蛋白酶抑制劑結合的程序進行了分子動力學模擬（影片）。
電腦病毒透過使傳染的細胞產生電腦病毒蛋白來增殖。SARS-CoV-2的Mpro主要發揮「剪刀」（蛋白酶）的作用，負責在適當的位置剪斷細胞產生的蛋白質並使其變得完整。Mpro與HIV的蛋白酶類似，因此有望利用現有的HIV蛋白酶抑制劑冶癒SARS-CoV-2。
研究團隊對7種HIV蛋白酶抑制劑分別與Mpro表表面接觸的程序進行了分子動力學模擬，調查了容易結合的位點分類，以及與蛋白酶活性位結合的難易度。另外，透過解析位點的結構變化，發現這種結構的變化程度非常大，即使是在與抑制劑結合的狀態下，也能呈現多種形狀和排列。此次的研究成果驗證了抑制劑與靶蛋白的動態結合程序，爲發現候選藥物分子提供了新的可能性。
HIV抑制劑（奈非那韋=白色圓圈中的分子）與Mpro結合的程序
研究方法與成果
爲推進抑制新冠電腦病毒主蛋白酶（Mpro）的藥物分子開發，研究團隊透過分子動力學計算，類比了已作爲HIV抑制劑使用的7種藥物分子與Mpro結合的程序。分子動力學計算利用了理研資訊基礎中心的HOKUSAI系統和專用電腦MDGRAPE-4A執行。
SARS-CoV-2 Mpro的空間結構根據Liu等人的報告注1）設定，作爲溶劑的水分子數量接近3萬個，系統的總原子數量接近10萬個。將7種藥物分子分別添加到含Mpro的水溶液中，並逐一對添加了不同藥物分子的系統實施0.2微秒（1微秒爲100萬分之1秒）×28次的類比，觀察藥物分子在Mpro表面的附着情況。然後，根據透過全部試驗（7×28次）資料獲得的藥物分子與Mpro的接觸資料，對Mpro表面藥物容易粘附的位置（結合位置）進行了分類，並確定其中一個位置位於與Mpro的剪刀功能直接相關的位點（蛋白酶活性位，圖1）。另外，透過調查0.2微秒的結合程序，還應答了藥物分子與活性位實際結合的情形（圖2）。
圖1：SARS-CoV-2主蛋白酶（Mpro）的結合位置
Mpro作爲由兩個蛋白質次單元組成的同型二聚體發揮作用。根據7種藥物分子的結合數據，對Mpro表面的結合位置進行了分類，顯示了5個主要位點（site1-site5）。用紅色顯示的site1與蛋白酶活性位重合。
圖2：藥物分子與活性位結合的程序
本圖顯示了在利用7種藥物分子的MD類比中，各藥物分子在蛋白酶活性位的佔比隨時間發生的變化。可以看出，在0.2微秒的時間裏，與活性位的結合逐漸增加。受樣品數量侷限，很難準確預測每種藥物分子的優劣，但茚地那韋（淡藍色）的親和性明顯高於達蘆那韋（綠色）。
爲捕捉與藥物分子結合的Mpro的結構變化，針對在上述類比中各藥物分子最終與活性位結合的23次試驗延長了分子動力學計算，觀察了1微秒内的動態。由此發現，結合位置的形狀會大幅變化。另外，將3次試驗的計算時間延長至6微秒後，偶爾會觀察到藥物分子在結合位置中改變方向（圖3）。這表明，藥物分子與靶蛋白的結合比以前認爲的要靈活得多。
圖3：在結合位置中改變方向的藥物分子
對茚地那韋（用淡藍色主鏈顯示的棍狀模式）與結合位置site-1（活性位）的結合進行6微秒MD類比的結果。茚地那韋的方向在1.0微秒（μs）、2.4微秒和5.0微秒時大幅改變。Mpro用空間填充模型表示，與跟茚地那韋結合有關的胺基酸殘基分別用紅色（第166位麩胺酸）、藍色（第189位麩醯胺）、黃色（第44位半胱胺酸、第143位甘胺酸、第187位天冬氨酸、第188位精胺酸、第190位蘇胺酸）和灰色（第49位甲硫胺酸）顯示。可以看出，這些胺基酸殘基的位置關係也在發生變化。
未來展望
今後，爲獲得用於探索候選藥物分子和開發新藥物分子的資料，研究團隊預定利用更廣泛的藥物分子，對在SARS-CoV-2 Mpro和SARS-CoV-2中編碼的其他潛在新藥靶蛋白進行類比。
注1）Title: The crystal structure of COVID-19 main protease in complex with an inhibitor N3, Entry authors: Liu, X., Zhang, B., Jin, Z., Yang, H., Rao, Z., Initial deposition on: 26 January 2020
論文資訊
題目：Drug binding dynamics of the dimeric SARS-CoV-2 main protease, determined by molecular dynamics simulation
期刊：Scientific reports
DOI：10.1038/s41598-020-74099-5
成果發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部
