人工设计的“钩子蛋白”有望控制COVID

　　一种带有钩子的分子可以抓住并使病毒讨厌的蛋白酶失效，这在对抗感染方面显示出了很大的潜力。

　　

科学家们设计了一种分子，能够减轻SARS-CoV-2中一种特别有效的成分的有害影响，这种成分是一种被称为蛋白酶的酶，它会破坏免疫系统的通讯，促进病毒复制。

尽管在它成为一种可行的药物之前还有很多步骤要走，但科学家们已经可以开始想象这种药物的样子了——这要归功于与蛋白酶结合的分子的新图像。

为了观察被蛋白酶抓住的分子的原子结构，研究人员用斯坦福同步辐射光源(SSRL)在能源部SLAC国家加速器实验室产生的明亮x射线照射晶体样品。这些X射线揭示了分子是如何与蛋白酶结合的。来自SLAC、斯坦福大学、能源部橡树岭国家实验室和其他机构的研究小组最近在《Nature Communications》上发表了他们的研究结果。

抓住一个光滑的蛋白酶

在SARS-CoV-2感染细胞后，病毒劫持宿主机器并开始产生多蛋白，多蛋白是连接在一起的长链蛋白质。但在病毒感染其他人之前，这些多蛋白需要被切成更小的片段。

为了切割多蛋白，病毒需要两种主要的蛋白酶，Mpro和PLpro，它们剪切蛋白串。但这些蛋白酶有双重作用:它们还会吞噬免疫系统需要沟通的其他有益蛋白质。

“目前，我们有抗病毒药物Paxlovid来阻止Mpro，但我们没有任何东西可以阻止PLpro，”SSRL的首席科学家、该研究的合著者Irimpan Mathews说。“如果我们开发出一种像Paxlovid这样的药物，可以阻止PLpro，我们就能很好地处理感染后的病毒。”

PLpro对科学家来说更难确定，因为它与Mpro不同，具有高度柔韧性和狭窄的凹槽。这种形状更难结晶，而来自晶体样品的信息在现代药物设计中至关重要。

PLpro独特的形状也意味着研究人员需要一种适合其狭窄凹槽的分子。为了制造这样的分子，研究小组从一种名为GRL0617的现有化合物开始。然后，他们扩展了分子，使其包含一个细长的部分，上面有一个化学基团，可以与蛋白质反应形成永久的键。通过考虑几个扩展，ORNL的研究人员将原始分子转化为可以更紧密地与PLpro结合的形状-研究人员仍在努力改进他们的设计。

Pokhrel说:“如果没有晶体样本，我们就无法拍摄PLpro的清晰照片。如果你不知道PLpro是什么样子，就很难制造药物来阻止它。你可以尝试盲目地设计一种药物，但这比你知道它的样子要困难得多，”他说。

SLAC和斯坦福大学教授、该研究的共同通讯作者Soichi Wakatsuki说，为了培育这种晶体，研究人员依靠了大量的耐心、毅力和好运。蛋白酶和分子的结晶是这项工作的真正突破。我们现在可以继续修改分子，使其更好地与PLpro结合。

ORNL的化学家和主要作者Brian Sanders说：“我们采用了一种现有的化合物，并对其进行了修改，使其与PLpro的结合更强，我们现在正试图创造更好的化合物，可以作为药丸服用，而且更不易在体内分解。”

ORNL高级科学家、该项目的负责人Jerry Parks说：“我们设计了分子，并使用计算方法来预测它们如何与酶相互作用，ORNL的科学家、大学和工业界的合作者通过实验测试了这些分子，以证实它们的有效性。然后SLAC的团队成员解决了晶体结构，证实了我们的预测，这对我们继续改进分子很重要。”

未来抗病毒设计

尽管这种新分子减缓了PLpro的蛋白质切割活性，但在他们的研究结果变成一种新的抗病毒药物之前，研究人员仍有几个重要的问题需要回答。例如，他们必须确保这种药物不会干扰我们体内与PLpro相似的其他有益蛋白质。

尽管如此，研究结果使研究小组更有信心，他们可能能够在未来设计出针对其他病毒的药物，这要归功于他们在研究PLpro时开发的研究过程。例如，他们与能源部其他国家实验室和大学的专家进行了有效的合作，以开发这种分子。这种合作的努力可以帮助他们将他们的策略应用到未来的病毒中——识别一种新的原型或采用一种已知的原型分子，了解它如何与目标结合，并对其进行修改以使其更有效。

斯坦福大学本科生、该研究项目实习生Manat Kaur说:“我们体内有许多蛋白质与PLpro具有相似的功能，所以我们必须小心避免阻断这些蛋白质。当你开始考虑这个挑战时，你就会意识到这项工作有多么复杂。”

斯坦福大学化学和系统生物学研究生、该论文的主要作者之一Suman Pokhrel说：“我们用来攻击PLpro的分子可能对其他病毒不起作用，但我们开发的过程是无价的，这种方法可以用来帮助制造抗病毒药物，以阻止下一代的爆发，能成为这一发现的团队的一员真的很令人兴奋，这使我们能够开始想象一种新的抗病毒药物来治疗COVID-19。”

参考:Potent and selective covalent inhibition of the papain-like protease from SARS-CoV-2” by Brian C. Sanders, Suman Pokhrel, Audrey D. Labbe, Irimpan I. Mathews, Connor J. Cooper, Russell B. Davidson, Gwyndalyn Phillips, Kevin L. Weiss, Qiu Zhang, Hugh O’Neill, Manat Kaur, Jurgen G. Schmidt, Walter Reichard, Surekha Surendranathan, Jyothi Parvathareddy, Lexi Phillips, Christopher Rainville, David E. Sterner, Desigan Kumaran, Babak Andi, Gyorgy Babnigg, Nigel W. Moriarty, Paul D. Adams, Andrzej Joachimiak, Brett L. Hurst, Suresh Kumar, Tauseef R. Butt, Colleen B. Jonsson, Lori Ferrins, Soichi Wakatsuki, Stephanie Galanie, Martha S. Head and Jerry M. Parks, 28 March 2023, Nature Communications.