Screening af nye antivirale forbindelser fra naturproduktbiblioteket i traditionel kinesisk medicin baseret på strukturen af ebola-virusglykoproteinmonomerer
Ebolavirus (EBOV) er en indkapslet filamentøs virus, der forårsager akut hæmoragisk feber, som er en zoonotisk infektionssygdom, der almindeligvis findes hos primater, med en dødelighed på op til 50% til 90%. I de senere år har der været flere alvorlige ebolaudbrud i Vestafrika, men indtil videre er der ikke godkendt nogen specifikke lægemidler til behandling af hæmoragisk ebolafeber til salg. EBOV's indtrængen i værtsceller er et kritisk trin i infektionen, som formidles af det virale transmembrane enkeltglykoprotein EBOV sgP på overfladen. Dette type I-fusionsprotein indeholder to underenheder, der er forbundet med disulfidbindinger, nemlig GP1, der er eksponeret på overfladen, og GP2, der er indlejret i den virale membran. Efter binding til værtscellen via celleoverfladefastgørelsesfaktorer internaliseres virussen, og de tilsvarende cysteinproteaser og proteaser i endosomet spalter de fleste af peptidkæderne i GP1-underenheden og eksponerer receptorbindingsstedet. Denne konformationsændring af GP letter fusionen af værtsvirusmembranen og den efterfølgende frigivelse af virusgenomet. Denne fusionsmekanisme ligner HIV-1-virus og influenzavirus. Derfor kan udvikling af inhibitormolekyler, der effektivt interfererer med konformationsovergangen af EBOV sgP, hjælpe med at blokere virusinvasion og -replikation.

I 2019 lykkedes det Elizabeth E. Fry og hendes team fra Institut for Strukturel Biologi ved University of Oxford i Storbritannien at fremstille EBOV sgP-protein ved hjælp af proteinekspressionsoprensningskrystalliseringsteknologi og bestemme dets tredimensionelle struktur ved hjælp af røntgendiffraktionseksperimenter (RCSB Protein Data Bank ID: 5JQ7), hvilket gav en virtuel computerscreeningmodel. På grund af den unikke struktur og mangfoldighed af naturlige produkter, især traditionelle kinesiske mediciningrediensbiblioteker, er de desuden blevet brugt til at behandle forskellige kroniske og infektiøse sygdomme og kan også bruges til at udforske anti-ebola-virusinhibitorer. Baseret på ovenstående overvejelser anvender denne undersøgelse computersimuleringsteknologi til at screene EBOV sgP-inhibitormolekyler fra naturproduktbiblioteket i traditionel kinesisk medicin.

Ahmads forskningsgruppe målrettede først den tredimensionelle struktur af EBOV-GP transmembrane glycoprotein trimer hulrum baseret på Mcule-forbindelsesbiblioteket i 2017 （ https://mcule.com/database / Udfør virtuel screening i stor skala af hæmmere ved hjælp af to molekylære docking-software, Auto Dock Vina og Flex-X, kombineret med online analyseværktøj admetSAR （ http://www.admetexp.org ）ADMET-filtrering blev udført, og tre hitmolekyler blev fundet. Siden 2000 har der været kontinuerlige udbrud af ebolavirus, og forskning og udvikling af antivirale molekyler er fortsat et globalt hotspot for farmaceutisk forskning. For at udvinde antivirale aktive molekyler fra naturproduktbiblioteket i traditionel kinesisk medicin trak denne undersøgelse derfor på forskningsideerne i denne artikel, ændrede målet fra EBOV-GP-trimer til monomer og redesignede den eksperimentelle metode til virtuel screening i flere runder. Screeningsstrategien bruger dyrere algoritmer til at forbedre nøjagtigheden af forudsigelsen så meget som muligt, reducere den falske positive sats for virtuel screening og bedre forudsige bindingskonformationen. Derudover er molekylær dynamiksimulering og beregning af fri bindingsenergi også vigtige værktøjer til at studere styrken af proteininhibitorinteraktioner. GROMACS-softwaren bruges til molekylær dynamiksimulering, og MM/PBSA-algoritmen bruges til at forudsige systemets frie bindingsenergi efter stabilisering. Disse metoder giver ikke kun detaljer om interaktionen mellem proteiner og inhibitorer på atomart og molekylært niveau, men letter også belysningen af det strukturelle affinitetsforhold mellem proteininhibitorkomplekser.

For effektivt at forstyrre konformationsovergangen af EBOV sgP er denne undersøgelse rettet mod det aktive hulrum i EBOV GP-monomer og udgraver inhibitormolekyler fra naturproduktbiblioteket i traditionel kinesisk medicin for at hjælpe med at blokere værtsvirusmembranfusion. Først følges Lipinskis fem principper og Verbers tre principper for at filtrere forbindelser, der overtræder princippet om lægemiddellighed; Derefter blev Glide-software brugt til at udføre molekylære dockingberegninger med tre forskellige nøjagtigheder, nemlig high-throughput HTVS, standardpræcision SP og ultrapræcision XP, hvilket gradvist reducerede størrelsen på kandidatforbindelsesbiblioteket; Derefter blev Schrödingers QikDrop-program brugt til at forudsige ADMET-egenskaberne for hitmolekylet og sammenlignet med admetSAR til filtreringsstrategi. To nøgleindikatorer til farmakokinetisk analyse og lægemiddelsikkerhedsanalyse, herunder hepatotoksicitet HERG_IC50 og oral biotilgængelighed, blev tilføjet. Kombineret med Lipinski Ro5- og Verber Ro3-forudsagte værdier blev der foretaget en relativt omfattende evaluering af lægemidler; I processen med at analysere bindingstilstanden mellem målproteiner og hitmolekyler blev højtydende GPU-accelerationsteknologi brugt til at simulere biomolekylers bevægelsestilstand under ægte fysiologiske saltopløsningsforhold. Molekylærdynamiksimuleringer blev udført i 50 ns, og MM/GBSA- og MM/PBSA-algoritmer blev brugt til at forudsige den frie bindingsenergi og forbedre berigelsesnøjagtigheden. Endelig viste hitmolekylerne MOL006834, MOL000174, MOL002192 og MOL012524, baseret på XP Glide-score, RMSD, RMSF, MM/GBSA-bindingsenergi, MM/PBSA-bindingsenergi og ADME-forudsigelse, fremragende bindingsaffinitet og gode lægemiddellignende egenskaber over for EBOV sgP's aktive site; Forudsige de sande bindingskonformationer af hitmolekylerne MOL006834, MOL000174, MOL002192, MOL012524 med transmembrane glykoproteiner på atomart og molekylært niveau, herunder hydrogenbinding, hydrofobe interaktioner, ioniske bindinger, π - π stablingskræfter osv., der viser fremragende interaktioner med vigtige aminosyrerester. Disse fire hitmolekyler kan købes kommercielt og udvikles som ledende forbindelser til EBOV sgP-hæmmere samt valideres gennem lægemiddelaktivitetseksperimenter. Det skal påpeges, at ebolavirus har en høj dødelighed og høj overførbarhed, og at de relevante krav til biosikkerhed er ekstremt strenge. Eksperimenter med test af antiviral aktivitet skal udføres i laboratorier på biosikkerhedsniveau 4, og der er ikke mange laboratorier i Kina med dette niveau, hvilket begrænser grundforskningen i ebolavirus. Derfor er resultaterne af denne undersøgelse begrænset til de tidlige stadier af lægemiddeludvikling og mangler eksperimentel datasupport såsom validering af antiviral aktivitet og ADMET-evaluering. I den senere fase er det nødvendigt at samarbejde med relevante virologiske forskningsteams og bruge professionelle virologiske forskningsplatforme til at udføre sikker og effektiv biologisk validering.