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Nuove visioni di stabilità strutturale della proteasi del main SARS-CoV-2

In un documento recente della pubblicazione preliminare del bioRxiv*, i ricercatori dagli Stati Uniti e l'Italia hanno utilizzato le simulazioni di dinamica molecolare ed hanno rivelato che la stabilità conformazionale della sede del legame SARS-CoV-2, gli inibitori rilegati e le reti del legame idrogeno della proteasi principale virale (m)pro sono altamente sensibili alle assegnazioni di protonazione.

La proteasi principale (m)pro del coronavirus 2 (SARS-CoV-2) di sindrome respiratorio acuto severo, un agente causativo della pandemia in corso di malattia di coronavirus (COVID-19), giochi un ruolo chiave nel ciclo di vita virale facilitando e catalizzando la fenditura di SARS-CoV-2 in covalenza hanno unito le proteine.

Più specificamente, l'enzimapro di m. è un homodimer strutturalmente conservato fra i coronaviruses, che gli rende un obiettivo piuttosto attraente per lo sviluppo di terapeutica antivirale. Recentemente, una pletora di apo di alta risoluzione ed a strutture dirette a inibitore della m.pro sono state determinate, permettendo, a sua volta ad una progettazione basata a struttura della droga.

Dalla prospettiva chimica, la m.pro è una proteasi della cisteina caratterizzata dal Cys-Suo) elemento bivalente catalitico non canonico della istidina-cisteina (. Oltre a His41-Cys145, la m.pro harbors varie istidine - compreso His163, His164 e His172.

Gli stati di protonazione delle istidine suddette e del Cys145 nucleophile catalitico sono stati discussi negli studi precedenti della ricerca su SARS-CoV-1 la m.pro (che causa il SAR originale), ma non per SARS-CoV-2. Tuttavia, dato la necessità urgente delle opzioni efficaci del trattamento nella nostra lotta contro COVID-19, la ricerca per gli inibitoripro di m. è stata intensificata.

Per esempio, parecchi inibitori notevoli sono stati identificati ed i loro sistemi cristallini sono stati rilasciati, quali l'alfa-ketoamides e N3 peptidomimetic. Queste a strutture dirette a inibitore sono effettivamente punti di partenza unici per ulteriori strategie di ottimizzazione della droga.

In questo nuovo studio, in un gruppo di ricerca piombo da James C. Gumbart del Georgia Institute of Technology a Atlanta, mirante per determinare la stabilità strutturale di SARS-CoV-2 m.pro in funzione delle assegnazioni di protonazione per i residui della cisteina e dell'istidina. La ricerca era uno sforzo di collaborazione fra il Georgia Institute of Technology, l'università di L'Aquila, istituto di CNR di Nanoscience, University of Tennessee, Knoxville, il Université il de Lorena, l'università dell'Illinois aUrbana-Champagne, laboratorio nazionale di Oak Ridge ed istituti di Novartis per la ricerca biomedica.

Interazioni della struttura e della sede del legame del dimero di Mpro (entrata 6WQF di PDB). Homodimer di Mpro con i tre domini illustrati ed il colore codificato come segue: Monomero verde chiaro/verde scuro del dominio I (arancione scuro), del dominio II (oro) e del dominio III (A/B) con i residui di elemento bivalente, il His41 e il Cys145 catalitici (resi in liquirizia).
Interazioni della struttura e della sede del legame del dimero di Mpro (entrata 6WQF di PDB). Homodimer di Mpro con i tre domini illustrati ed il colore codificato come segue: Monomero verde chiaro/verde scuro del dominio I (arancione scuro), del dominio II (oro) e del dominio III (A/B) con i residui di elemento bivalente, il His41 e il Cys145 catalitici (resi in liquirizia).

Approccio metodologico

“Abbiamo studiato gli effetti sui beni strutturali del apo ed ai dei sistemi diretti a legante alterando lo stato di protonazione dell'elemento bivalente, del Cys145 e del His41 catalitici come pure quelli di tre istidine vicino alla sede del legame del substrato, al His163, al His164 e al His172„, autori di studio riassumono il loro approccio metodologico.

Considerando l'ambiguità affine negli stati di protonazione di SARS-CoV-2 m.pro, i ricercatori hanno esaminato la stabilità di 12 stati possibili di protonazione della proteasi. Le simulazioni dettagliate di dinamica molecolare del apo ed ai dei dimeri diretti a inibitorepro di m. sono state realizzate per ogni stato, con l'analisi successiva del risultato beni strutturali e dinamici.

Il legame dell'idrogeno è stato valutato per i residui pertinenti della proteina come pure fra gli inibitori rilegati e la proteina. Per concludere, due inibitori sono stati studiati dettagliatamente: N3 peptidomimetic e un'alfa-ketoamide molto potente.

Combinazioni multiple di protonazione

Questo studio ha trovato che lo stato protonated di His41/deprotonated Cys145 dell'elemento bivalente catalitico è realmente instabile nelle conformazioni del sistema cristallino, come provato errore quadratico medio aumentato, i reticoli variabili di legame dell'idrogeno e districando degli inibitori. Ciò nonostante, questo stato può esistere come intermedio di reazione transitorio.

I ricercatori egualmente hanno indicato che la protonazione His163 e His172 specifica il risultato nelle perturbazioni sostanziali a parecchi legami idrogeni rispetto alle conformazioni del sistema cristallino.

Ulteriormente, il volume in diminuzione della casella è stato osservato regolarmente nelle simulazioni per lo stato HP163. Allo stesso tempo, i calcoli di libero energia indicati hanno fatto diminuire l'affinità per entrambi gli inibitori provati in questo stato, che rintraccia qualitativamente le riduzioni osservate di legame dell'idrogeno.

Contrariamente alle altre istidine, questo gruppo di ricerca ha determinato che le combinazioni multiple di protonazione sono possibili per le paia His41-His164. Di conseguenza, questi residui possono intraprendere gli stati differenti di protonazione durante il trattamento di fenditura della proteina.

Legame dell
Legame dell'idrogeno nella casella S1. Configurazioni di esempio di A) HD41-HE164 caratteristico delle interazioni robuste della casella S1, B) HE41-HD164-HP172 che illustrano la rottura dello S1' - interazione Glu166 e perdita del legame idrogeno His163-Tyr161 e C) HE41-HP163-HD164 che descrive la perdita della donazione del legame idrogeno Tyr161 e dell'interazione His172-Glu166.

Implicazioni per miglioramento e progettazione della droga

“I nostri risultati illustrano l'importanza di usando gli stati appropriati di protonazione dell'istidina per modellare esattamente la struttura e la dinamica di SARS-CoV-2 m.pro sia nel apo che agli negli stati diretti a inibitore, un presupposto necessario per gli sforzi di droga progettazione„, riassume gli autori di studio in questo articolo del bioRxiv.

Cioè gli stati di protonazione più importanti delle istidinepro di m. devono essere considerati per gli sforzi dell'ottimizzazione di N3 peptidomimetic e dell'alfa-ketoamide come pure per la progettazione razionale e mirata a di altri inibitori.

Ciò nonostante, in silico gli schermi di alto-capacità di lavorazione di nuovi inibitori potenziali trarranno giovamento dall'esecuzione su ciascuno degli stati di protonazione considerati in questo documento, soprattutto di renderlo fattibile quando il legante è presente. Ciò definitivamente sarà un tema di ricorso in ulteriori sforzi della ricerca su questo argomento.

Legame dell
Legame dell'idrogeno di Ketoamide nello stato di protonazione HE41-HD164. In entrambi i comitati, i legami idrogeni fra il legante (liquirizia verde chiaro) e la proteina sono indicati con una linea blu, mentre quelli con acqua o fra i residui della proteina sono rossi. A) Regione intorno all'acqua cristallografica. B) conformazione in cui il His164 ha girato, facente un legame idrogeno con la spina dorsale di Met162. L'acqua cristallografica è stata rilasciata.

Avviso *Important

il bioRxiv pubblica i rapporti scientifici preliminari che pari-non sono esaminati e, pertanto, non dovrebbero essere considerati conclusivi, guida la pratica clinica/comportamento correlato con la salute, o trattato come informazioni stabilite.

Journal reference:
Dr. Tomislav Meštrović

Written by

Dr. Tomislav Meštrović

Dr. Tomislav Meštrović is a medical doctor (MD) with a Ph.D. in biomedical and health sciences, specialist in the field of clinical microbiology, and an Assistant Professor at Croatia's youngest university - University North. In addition to his interest in clinical, research and lecturing activities, his immense passion for medical writing and scientific communication goes back to his student days. He enjoys contributing back to the community. In his spare time, Tomislav is a movie buff and an avid traveler.

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