Molekulares Modelling nutzen, um neuartige therapeutische Targets für SARS-CoV-2 zu entdecken

In unserem vorherigen Post untersuchten wir, wie prädiktive Modellierungstools atomare Strukturen viraler Proteine generieren und experimentell unaufgelöste Regionen füllen können, wie fehlende Wasserstoffatome und flexible Loops. Wir fokussierten auf die Cryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM) Struktur des SARS-CoV-2 Spike (S) Proteins, veröffentlicht in Science (DOI: 10.1126/science.abb2507).

Hier tauchen wir ein, wie verfeinerte strukturelle Modelle – besonders des S Proteins – Hypothesengenerierung für COVID-19-Therapeutika befeuern können.

Medikamentenbindung hängt von Proteindynamik ab

Proteine sind nicht statisch; ihre Bewegungen sind integral für die Funktion. Wie Physiker Richard Feynman bemerkte: „Das Verhalten lebender Systeme kann in Begriffen des Zitterns und Wackelns von Atomen verstanden werden.“ Das SARS-CoV-2 S Protein exemplifiziert dies: Vor Zelleintritt muss es den Wirt-Rezeptor Angiotensin-Converting Enzyme 2 (ACE2) binden. Die Rezeptor-Bindungsdomäne (RBD) vermittelt diese Interaktion (siehe Abbildung 1A). Die RBD oszilliert zwischen einer „up“ (ACE2-zugänglich) und einer „down“ (ACE2-unzugänglich) Konformation (Abbildung 1B). Studien deuten darauf hin, dass der Down-Zustand stabiler ist, was impliziert, dass kleine Moleküle, die die RBD in der Down-Konformation verriegeln, ACE2-Bindung blockieren und den viralen Eintritt stoppen könnten.

Die RBD fungiert als Scharnier

Ein flexibler Linker verbindet die RBD mit dem Rest des S Proteins und ermöglicht den scharnierartigen Übergang zwischen Down- und Up-Zustand (Abbildung 1B). Wir isolierten die RBD mit ihrem Linker und der angrenzenden Domäne (Abbildung 1C). Die Up-Zustand-Struktur (PDB 6VYB) fehlen drei Loops, die kritisch für ACE2-Interaktion sind; daher konstruierten wir ein Homologiemodell unter Verwendung sowohl von 6VYB als auch des Kristallkomplexes von RBD-ACE2 (PDB 6M17). Diese Loops, einschließlich eines über 20 Residuen, sind essenziell für Bindung, und ihre akkurate Modellierung erlaubt uns, korrekte Protonierungszustände für physiologischen pH zuzuweisen.

Nachfolgende Molekulardynamik (MD) Simulationen können die konformationelle Landschaft der RBD erfassen und potenzielle kleine-Molekül-Bindetaschen aufdecken. Mit BIOVIA Discovery Studio identifizierten wir eine Tasche am Scharnier des Linkers (Abbildung 1C), die als Target für Verbindungen dienen könnte, die entwickelt sind, die Down-Konformation zu stabilisieren.

Weg nach vorn

Um die Scharniertasche zu validieren, können Forscher Normal Mode Analysis (NMA) oder erweiterte MD-Simulationen (~Hunderte Nanosekunden) einsetzen, um diverse Konformationen zu sampeln. Diese Ensembles können dann in High-Throughput-Virtuelles-Screening einspeisen, jedes Compound über multiple Proteinzustände dockend. Dieser Ensemble-basierte Ansatz hat sich als Erhöhung der Hit-Raten in der Drug Discovery gezeigt und reflektiert die Realität, dass Ligandenbindung von Proteindynamik abhängt.

Über kleine Moleküle hinaus ist das verfeinerte S Protein Modell auch ein wertvolles Template für das Design monoklonaler Antikörper. In-silico-Affinitätsreifung kann Antikörperspezifität zum ACE2-Bindungsinterface verfeinern.

BIOVIA Dassault Systèmes – basierend auf über 30 Jahren peer-reviewter Forschung – bietet die BIOVIA Discovery Studio Plattform, die die gesamte Drug Discovery Pipeline von Target-Identifikation bis Lead-Optimierung unterstützt, einschließlich Biologika-Design, klassischer Simulationen, Fragment-basiertem Design, virtuellem Screening und ADME/Toxizitätsvorhersage.

In Übereinstimmung mit unserer Corporate Social Responsibility bietet BIOVIA eine kostenlose, sechsmonatige Lizenz für qualifizierte akademische Forschungsgruppen, die SARS-CoV-2-Studien durchführen. Interessierte Forscher können die Lizenz anfordern und die Software herunterladen. Dieses Angebot bleibt bis zum 30. Juni 2020 verfügbar.