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Introspecções novas na estabilidade estrutural do protease do cano principal SARS-CoV-2

Em um papel recente da pré-impressão do bioRxiv*, os pesquisadores dos E.U. e Itália utilizaram simulações da dinâmica molecular e revelaram que a estabilidade conformational do local SARS-CoV-2 obrigatório, dos inibidores encadernados, e das redes da ligação de hidrogênio do protease principal viral (M)pro é altamente sensível às atribuições do protonation.

O protease principal (M)pro do coronavirus da Síndrome Respiratória Aguda Grave 2 (SARS-CoV-2), de um agente causal da pandemia em curso da doença do coronavirus (COVID-19), jogos um papel chave no ciclo de vida viral facilitando e catalisando a segmentação de SARS-CoV-2 coligaram covalently proteínas.

Mais especificamente, a enzimapro de M é um homodimer estrutural conservado entre coronaviruses, que lhe faça um alvo um pouco atractivo para a revelação da terapêutica antivirosa. Recentemente, uma pletora de apo de alta resolução e as estruturas do inibidor-limite de Mpro foram determinadas, permitindo, por sua vez um projecto estrutura-baseado da droga.

Da perspectiva química, Mpro é um protease do cysteine caracterizado por Cys-Sua) díade catalítica não-canônica do histidine-cysteine (. Além do que His41-Cys145, Mpro abriga uma variedade de histidines - incluir His163, His164, e His172.

Os estados do protonation dos histidines acima mencionados e do Cys145 nucleophile catalítico foram discutidos em estudos precedentes da pesquisa em SARS-CoV-1 Mpro (que causa o SARS original), mas não para SARS-CoV-2. Contudo, dado a necessidade urgente para opções eficazes do tratamento em nossa luta contra COVID-19, a procura para inibidorespro de M foi intensificada.

Por exemplo, diversos inibidores notáveis foram identificados, e suas estruturas de cristal foram liberadas, como o alfa-ketoamides e N3 peptidomimetic. Estas estruturas do inibidor-limite são certamente pontos de partida originais para umas estratégias de optimização mais adicionais da droga.

Neste estudo novo, em um grupo de investigação conduzido por James C. Gumbart do Instituto de Tecnologia de Geórgia em Atlanta, apontado determinar a estabilidade estrutural de SARS-CoV-2 Mpro em função das atribuições do protonation para resíduos do histidine e do cysteine. A pesquisa era um esforço colaborador entre o Instituto de Tecnologia de Geórgia, a universidade de L'Aquila, instituto do CNR de Nanoscience, University of Tennessee, Knoxville, o Université de Lorena, as Universidades de Illinois no Urbana-Campo, laboratório nacional de Oak Ridge e institutos de Novartis para a pesquisa biomedicável.

Interacções da estrutura do dímero de Mpro e do local obrigatório (entrada 6WQF do PDB). Homodimer de Mpro com os três domínios ilustrados e a cor codificada como segue: Domínio mim (obscuridade - laranja), domínio II (ouro), e domínio III (luz - verde/obscuridade - monómero verde A/B) com os resíduos da díade, o His41 e o Cys145 catalíticos (rendidos no alcaçuz).
Interacções da estrutura do dímero de Mpro e do local obrigatório (entrada 6WQF do PDB). Homodimer de Mpro com os três domínios ilustrados e a cor codificada como segue: Domínio mim (obscuridade - laranja), domínio II (ouro), e domínio III (luz - verde/obscuridade - monómero verde A/B) com os resíduos da díade, o His41 e o Cys145 catalíticos (rendidos no alcaçuz).

Abordagem metodológica

“Nós investigamos os efeitos nas propriedades estruturais do apo e dos sistemas do ligante-limite alterando o estado do protonation da díade, do Cys145 e do His41 catalíticos, assim como aqueles de três histidines perto do local obrigatório da carcaça, do His163, do His164, e do His172”, autores do estudo resumem sua abordagem metodológica.

Levando em consideração a ambigüidade dos kindred nos estados do protonation de SARS-CoV-2 Mpro, os pesquisadores olharam na estabilidade de 12 estados possíveis do protonation do protease. As simulações detalhadas da dinâmica molecular do apo e dos dímero do inibidor-limitepro M foram executadas para cada estado, com a análise subseqüente de resultar propriedades estruturais e dinâmicas.

A ligação do hidrogênio foi avaliada para resíduos relevantes da proteína, assim como entre os inibidores encadernados e a proteína. Finalmente, dois inibidores foram estudados em detalhe: N3 peptidomimetic e um alfa-ketoamide muito poderoso.

Combinações múltiplas do protonation

Este estudo encontrou que o estado protonated de His41/deprotonated Cys145 da díade catalítica é realmente instável nas conformações da estrutura de cristal, como evidenciado o desvio aumentado do raiz-meio-quadrado, testes padrões mudados da ligação do hidrogênio, e deslindar dos inibidores. Todavia, este estado pode existir como um intermediário transiente da reacção.

Os pesquisadores igualmente mostraram que o protonation His163 e His172 indica o resultado em perturbação substanciais a diversas ligações de hidrogênio em comparação com conformações da estrutura de cristal.

Adicionalmente, o volume diminuído do bolso foi observado regularmente nas simulações para o estado HP163. Ao mesmo tempo, os cálculos da livre-energia mostrados diminuíram a afinidade para ambos os inibidores testados neste estado, que segue qualitativa as reduções observadas da ligação do hidrogênio.

Em contraste com os outros histidines, este grupo de investigação determinou que as combinações múltiplas do protonation são viáveis para os pares His41-His164. Conseqüentemente, estes resíduos podem tomar em estados diferentes do protonation durante o processo da segmentação da proteína.

Ligação do hidrogênio no bolso S1. As configurações do exemplo A) de HD41-HE164 característico do S1 robusto pocket interacções, B) HE41-HD164-HP172 que ilustram a ruptura do S1
Ligação do hidrogênio no bolso S1. As configurações do exemplo A) de HD41-HE164 característico do S1 robusto pocket interacções, B) HE41-HD164-HP172 que ilustram a ruptura do S1' - a interacção Glu166 e a perda da ligação de hidrogênio His163-Tyr161, e C) HE41-HP163-HD164 que descreve a perda da doação da ligação de hidrogênio Tyr161 e da interacção His172-Glu166.

Implicações para a melhoria e o projecto da droga

“Nossos resultados ilustram a importância de usar estados apropriados do protonation do histidine para modelar exactamente a estrutura e a dinâmica de SARS-CoV-2 Mpro no apo e nos estados do inibidor-limite, uma condição prévia necessária para esforços do droga-projecto”, resume autores do estudo neste papel do bioRxiv.

Ou seja os estados os mais importantes do protonation de histidinespro de M têm que ser considerados para esforços da optimização de N3 peptidomimetic e de alfa-ketoamide, assim como para o projecto racional e visado de outros inibidores.

Todavia, in silico as telas da alto-produção de inibidores potenciais novos tirarão proveito da execução em cada um dos estados do protonation considerados neste papel, fazê-lo primeiramente praticável quando a ligante esta presente. Este será definida um tema de retorno em uns esforços mais adicionais da pesquisa neste assunto.

Ligação do hidrogênio de Ketoamide no estado do protonation HE41-HD164. Em ambos os painéis, as ligações de hidrogênio entre a ligante (luz - alcaçuz verde) e a proteína estão indicadas com uma linha azul, quando aquelas com água ou entre resíduos da proteína forem vermelhas. A) Região em torno da água crystallographic. B) conformação em que o His164 girou, fazendo uma ligação de hidrogênio com a espinha dorsal de Met162. A água crystallographic foi liberada.
Ligação do hidrogênio de Ketoamide no estado do protonation HE41-HD164. Em ambos os painéis, as ligações de hidrogênio entre a ligante (luz - alcaçuz verde) e a proteína estão indicadas com uma linha azul, quando aquelas com água ou entre resíduos da proteína forem vermelhas. A) Região em torno da água crystallographic. B) conformação em que o His164 girou, fazendo uma ligação de hidrogênio com a espinha dorsal de Met162. A água crystallographic foi liberada.

Observação *Important

o bioRxiv publica os relatórios científicos preliminares que par-não são revistos e, não devem conseqüentemente ser considerados como conclusivos, guia a prática clínica/comportamento saúde-relacionado, ou tratado como a informação estabelecida.

Journal reference:
Dr. Tomislav Meštrović

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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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