Dans une récente étude publiée sur bioRxiv* serveur de préimpression, les chercheurs ont effectué une vaste bibliothèque d’amarrage pour les nouveaux inhibiteurs covalents et non covalents de la protéase principale du coronavirus 2 (SARS-CoV-2) du syndrome respiratoire aigu sévère (Mpro).
Étude : Grande bibliothèque d’amarrage pour les nouveaux inhibiteurs non covalents et covalents de la protéase principale du SRAS-CoV-2. Crédit d’image : creativeneko / Shutterstock
Sommaire
Arrière plan
Des agents antiviraux contre le SRAS-CoV-2 sont nécessaires de toute urgence pour lutter contre la pandémie de maladie CoV 2019 (COVID-19) en cours. Le MPro, également appelé protéase de type 3-chymotrypsine (3CLPro), est une enzyme SARS-CoV-2 bien connue. Un médicament approuvé, Paxlovid, et divers nouveaux médicaments expérimentaux, tels que le S-217622, ciblent le SARS-CoV-2 Mpro. Néanmoins, il existe toujours un besoin de nouveaux échafaudages chimiques ciblant MPro, étant donné les inconvénients inhérents aux nouveaux médicaments actuels et la menace de résistance virale.
À propos de l’étude
Dans la présente enquête, les chercheurs se sont concentrés sur la structure SARS-CoV-2 MPro pour l’amarrage massif de la bibliothèque à la recherche de nouveaux points de départ pour la découverte d’inhibiteurs non covalents ou covalents. Ils ont couplé virtuellement 1,2 milliard de composés non covalents et une nouvelle collection de 6,5 millions de composés électrophiles contre la structure enzymatique Mpro de l’espace Enamine facilement accessible (REAL).
L’équipe a simulé un agrégat de SARS-CoV-2 MPro couplé à un inhibiteur non covalent de SARS-CoV MPro pour caractériser les points chauds pour la liaison du ligand sur le site actif. Trois des structures cristallines des inhibiteurs non covalents raffinés, avec des résolutions allant de 2,12 Å à 2,59 Å, ont été établies pour étudier comment les positions ancrées des nouveaux inhibiteurs correspondaient à leurs modes de liaison réels et pour guider un raffinement supplémentaire.
Les auteurs ont mené une deuxième expérience d’amarrage parce que d’autres chercheurs avaient découvert des inhibiteurs efficaces avec des informations complètes sur la relation structure-activité (SAR) et des échafaudages similaires à ceux utilisés dans les travaux en cours pendant la période de recherche. Ils ont tenté d’intégrer les conclusions tirées des présents résultats et celles d’autres investigations mettant en évidence l’identification de nouveaux chémotypes. Le ligand non covalent MAT-POS-b3e365b9-1 (MPro-x11612.pdb) du consortium COVID-19 Moonshot, en conjonction avec la structure cristalline SARS-CoV-2 MPro, était la cible du nouvel écran d’amarrage.
Les scientifiques ont recherché dans les 1,4 milliards de composés des bibliothèques ZINC15/ZINC20 trois ogives covalentes réactives au Cys, des nitriles, des aldéhydes et des alpha-cétoamides pour trouver des électrophiles susceptibles d’altérer de manière covalente le Cys145 catalytique. DOCKovalent a été utilisé pour créer des molécules ancrables tridimensionnelles (3D) pour la liaison covalente.
Les structures cristallines de cinq inhibiteurs d’aldéhyde liés à MPro ont été développées pour examiner comment les positions ancrées des inhibiteurs covalents étaient corrélées avec les modes de liaison réels et pour soutenir une optimisation supplémentaire. Alors que l’optimisation des inhibiteurs non covalents et covalents progressait, l’équipe a évalué divers composés dans un test d’infectivité virale par réaction en chaîne par polymérase quantitative par transcription inverse (RT-qPCR) dans des cellules Henrietta Lacks-angiotensine convertissant l’enzyme 2 (HeLa-ACE2).
La conception de substrats et le développement d’essais permettent la découverte d’inhibiteurs basés sur la structure. (A) La structure chimique du substrat NSP7 optimisé présentée sous forme de schéma (en haut) de la séquence de substrat met en évidence le rôle de chaque résidu (en bas). Le substrat contient la séquence de substrat étendue P4-P4 ‘NSP7 (bleu), le fluorophore (jaune), l’extincteur fluorescent (violet) et les résidus pour augmenter la solubilité (vert). (B) Une liste des séquences NSP du polypeptide viral (P4-P4′) qui sont clivées par MPro (à gauche). La séquence LOGO mettant en évidence la spécificité de substrat de MPro, donnant une séquence consensus P4-P4’ : ATLQ(S/A)XXA (à droite). (C) La cinétique de Michaelis-Menten pour le substrat NSP7 avec des paramètres de rendement MPro indiquant un substrat optimisé et efficace. (D) Site actif SARS-CoV-2 MPro (PDB 6Y2G)26 (vert ; sous-poches S1′, S1, S2, S3, S4), illustré ici avec les préférences de substrat (rose ; P1′, P1, P2, P3 , P4) (modélisé d’après PDB 3SNE)27, a été utilisé pour ancrer 1,2 milliard de molécules non covalentes et 6,5 millions de molécules électrophiles. Les molécules les mieux classées ont été filtrées et 395 ont été synthétisées pour des tests in vitro. Certains hits d’amarrage ont été priorisés pour l’optimisation des composés, la cristallographie, l’activité enzymatique panvirale et l’activité antivirale cellulaire. Pour C, les expériences ont été réalisées en triple.
Résultats
Dans les travaux en cours, les auteurs ont identifié 132 inhibiteurs de SARS-CoV-2 MPro appartenant à 37 classes d’échafaudage différentes et présentent des concentrations inhibitrices demi-maximales (IC50) inférieures à 150 µM. Parmi ceux-ci, 15 inhibiteurs sur trois échafaudages avaient des valeurs IC50 inférieures à 10 µM et inhibaient l’enzyme. L’inhibiteur covalent le plus efficace, ‘7021, s’est avéré fonctionner de manière réversible, ce qui était probablement le reflet de la cinétique d’activation/désactivation rapide des inhibiteurs covalents d’aldéhyde.
En outre, l’équipe a fourni un substrat MPro amélioré pour la prochaine évaluation des inhibiteurs. Les scientifiques ont initialement établi une bibliothèque électrophile en utilisant la collection croissante de composés tangibles, qui comprenait des aldéhydes, des nitriles et des alpha-cétoamides. La communauté peut accéder librement à cette bibliothèque de plus de 6,5 millions de nouveaux électrophiles sur https://covalent2022.docking.org.
Huit des structures cristallines des nouveaux inhibiteurs correspondaient étroitement aux estimations d’amarrage. Les activités antivirales de deux des nouveaux inhibiteurs d’aldéhyde étaient comparables à leurs valeurs enzymatiques IC50, ce qui indique qu’une optimisation supplémentaire de cette classe pour l’efficacité on-enzyme peut prédire l’activité antivirale.
Optimisation des composés non covalents à des puissances à faible μM. (A) Progression de l’échafaudage ‘0273. (B) Pose de liaison prévue de ‘0273. (C) Comparaison de la structure cristalline (protéine grise, composé rouge) et du complexe amarré (protéine verte, composé bleu) de SG-0001 (PDB 8DII). (D) Pose de liaison prévue de ‘0541. (E), (F) Comparaison des structures cristallines et des complexes ancrés de ‘5548 (PDB 8DIG) et ‘6111 (PDB 8DIH), respectivement. (G) Analogues supplémentaires de ‘0541 avec des affinités améliorées. Les cartes de densité de ligands 2fo-fc (contour bleu) sont présentées à 1 s. Les écarts quadratiques moyens hongrois (RMSD) ont été calculés avec DOCK6.
conclusion
De façon générale, l’équipe a trouvé 37 échafaudages différents des inhibiteurs SARS-CoV-2 Mpro, avec les composés covalents et non covalents les plus efficaces ayant un IC50 du μM 20 et 29, respectivement. Des inhibiteurs à faible activité micromolaire ont été établis après l’optimisation de plusieurs séries. Les modes de liaison projetés d’amarrage ont été validés ultérieurement par cristallographie, qui peut servir de modèle pour une optimisation future. Les composés identifiés dans le présent travail révèlent de nouveaux chémotypes qui aident à la recherche future d’inhibiteurs de MPro pour le SRAS-CoV-2 et d’autres CoV potentiels.
*Avis important
bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, guider la pratique clinique/les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.
