分子模拟研究发现食品短肽具有潜在抗新冠病毒作用
背景介绍
自2019年12月起，新冠肺炎疫情已经肆虐一年有余，全球已有近1.1亿人感染，220万人死亡，防控形势依然严峻。尽管目前瑞德西韦等抗病毒药物已获准用于新冠患者，多国已有针对新冠病毒的疫苗问世，但总体来说，抗病毒药物仍然存在着诸多副作用，疫苗产生的不良反应率仍然较高。在新冠肺炎疫情防控常态化的情况下，研发更安全、更有效的药物来抑制新冠肺炎（COVID-19）将是科学界一项重点工作。
多肽药物因适应症广、安全性高、疗效显著，被广泛应用于疼痛、关节炎、癌症、肝炎、获得性免疫缺陷综合征(AIDS)等多种人类疾病的治疗。由于大多数疾病靶点是蛋白质，多肽药物在结合能力和结构多样性方面具有小分子药物无法比拟的优势和潜力。此外，它们与靶点的非共价结合也显示出在控制副作用方面优于共价结合药物。目前，很少有共价药物专为治疗癌症以外的疾病而设计，这也可能解释了瑞德西韦等用于治疗COVID-19的共价结合药物的副作用。因此，多肽药物的筛选是寻找抑制COVID-19的特异性药物的重要方向。
近年来，含有2-10个氨基酸的食源性多肽已被证明具有更高的吸收效率和营养功能，包括抗病毒作用。面对种类繁多的多肽来源和结构，计算机辅助筛选是药物筛选的第一步，但目前在抑制COVID-19的食源性短肽筛选研究中还鲜有报道。
为此，本研究旨在针对已报道的抑制COVID-19病毒的三个重要靶点，即血管紧张素转化酶2（ACE2，COVID-19病毒Spike蛋白受体结合域靶点）、COVID-19病毒主蛋白酶（COVID-19 virus Mpro）和COVID-19病毒RNA依赖的RNA聚合酶（COVID-19 virus RdRp），开展借助分子模拟与分子对接，筛选得到具有高非共价相互作用的短肽，并系统研究其结构特点和作用机制，以期为进一步开发更安全、更有效的抗新冠病毒药物提供必要的信息。
研究方法
本研究在团队前期研究基础上，广泛收集了植物、动物、水产品、真菌类等食源性短肽分子527个。采用分子模拟与分子对接的方法探究了527个短肽与Spike protein RBD of ACE2、Mpro、RdRp等三个关键靶点的相互作用，并从作用关键氨基酸位点、结合力、结合形式等方面明晰其作用机制，掌握其结构特点与构效关系。
结果与分析
如图1所示，通过与已报道的药物的相互作用力相比，成功鉴定出187个潜在的高抑制活性（相互作用力）抗病毒短肽序列，其中6个肽可以同时对这三个靶点有高抑制活性（相互作用力）。
图1 短肽与Covid-19病毒三个关键靶点的相互作用
基于获得的高抑制活性抗病毒短肽，按照-CDocker energy (Score)排序，获得了对Spike protein RBD靶点结合活性（相互作用力）最高的短肽PA1，其与ACE2的总相互作用力为-330.556 kcal/mol，主要是由PA1与ACE2上的GLU35、ASP38、GLU37、ASP30、HIS34、THR27、PHE32、GLN24、ASN33等9个氨基酸残基形成的5个静电相互作用力（包括3个盐桥）、5个氢键产生的，高于阳性药MLN-4760与Spike protein RBD的结合活性（相互作用力）（-86.407 kcal/mol）。
图2 短肽PA1与Covid-19病毒Spike protein RBD靶点的相互作用机制
基于获得的高抑制活性抗病毒短肽，按照-CDocker energy (Score)排序，获得了对Mpro靶点结合活性（相互作用力）最高的短肽PM1，其与Mpro的总相互作用力为-366.214 kcal/mol，主要是由PM1与ACE2上的HIS41、MET49、ASN142、GLY143、CYS145(SG)、HIS164、MET165、GLU166、GLN189、THR190等10个氨基酸残基形成的2个电荷引力、12个氢键、1个Pi键、2个烷基作用、2个Pi-烷基作用产生的，高于阳性药Ritonavir与Mpro靶点的结合活性（相互作用力）（-87.46983 kcal/mol）。
图3 短肽PM1与Covid-19病毒Mpro靶点的相互作用机制
基于获得的高抑制活性抗病毒短肽，按照-CDocker energy (Score)排序，获得了对RdRp靶点结合活性（相互作用力）最高的短肽PR1，其与RdRp的总相互作用力为-870.287 kcal/mol，主要是由PR1与RdRp上的MG1、MG2、A11、U10、U20、ASP452、LYS545、LYS551、ARG553、ARG555、LYS621、ASP623、LYS798等13个残基形成的8静电作用力、9个氢键、2个金属作用力、4个Pi-Pi堆叠作用，高于阳性药Remdesivir与RdRp靶点的结合活性（相互作用力）（-223.131 kcal/mol）。
图4 短肽PR1与Covid-19病毒RdRp靶点的相互作用机制
此外，借助分子动力学模拟，系统对比了对三个靶点具有高抑制活性的短肽序列和空间结构，结果表明：①针对Spike protein RBD靶点，高抑制活性短肽含有9-10个氨基酸、分子量约为1.14KDa，亲水性氨基酸和酸性氨基酸在中间，芳香族氨基酸在两端，且其主要的抑制位点为Spike protein RBD上的SER19到TYR50的α螺旋结构。
图5 针对Spike protein RBD靶点的高抑制活性短肽结构特点
②针对Mpro靶点，高抑制活性短肽含有5-6个氨基酸、分子量约为0.67KDa，具有碱性氨基酸的头部、碱性氨基酸的尾部，且中间多含疏水性基团，其主要的抑制位点为Mpro中由两个疏水性氨基酸为“把手”的活性口袋。
图6 针对Mpro靶点的高抑制活性短肽结构特点
③针对RdRp靶点，高抑制活性短肽含有5-6个氨基酸、分子量约为0.67KDa，碱性氨基酸和酸性氨基酸在两侧和芳香氨基酸在中间，其主要的抑制位点为RdRp中RdRp与RNA形成的狭小孔道。
图5 针对RdRp靶点的高抑制活性短肽结构特点
结论
本文借助分子对接与分子动力模拟证实了食源性短肽可能具有潜在Covid-19 病毒抑制作用；筛选出79个潜在高抑制活性的短肽并明确了其作用机制；初步掌握了高抑制活性短肽的结构特点，为基于天然功能成分的Covid-19病毒抑制分子的开发和利用提供支撑。
原文链接：https://www.mdpi.com/2218-273X/11/2/330
供稿人：石爱民
