Dans un récent bioRxiv * preprint paper, des chercheurs américains et italiens ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire et ont révélé que la stabilité conformationnelle du site de liaison du SARS-CoV-2, des inhibiteurs liés et des réseaux de liaisons hydrogène de la protéase principale virale (Mpro) sont très sensibles aux attributions de protonation.
La protéase principale (Mpro) du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2), un agent causal de la pandémie de maladie à coronavirus en cours (COVID-19), joue un rôle clé dans le cycle de vie viral en facilitant et en catalysant le clivage du SRAS-CoV -2 protéines jointes de manière covalente.
Plus précisément, Mpro L'enzyme est un homodimère structurellement conservé parmi les coronavirus, ce qui en fait une cible plutôt attrayante pour le développement de thérapies antivirales. Récemment, une pléthore d'apo haute résolution et de structures liées à un inhibiteur de Mpro ont été déterminées, permettant à son tour une conception de médicaments basée sur la structure.
Du point de vue chimique, Mpro est une cystéine protéase caractérisée par une dyade catalytique histidine-cystéine (Cys-His) non canonique. En plus de His41-Cys145, Mpro abrite une variété d'histidines – y compris His163, His164 et His172.
Les états de protonation des histidines susmentionnées et du nucléophile catalytique Cys145 ont été discutés dans des études antérieures sur le SRAS-CoV-1 Mpro (qui cause le SRAS d'origine), mais pas pour le SRAS-CoV-2. Cependant, étant donné le besoin pressant d'options de traitement efficaces dans notre lutte contre le COVID-19, la quête de Mpro inhibiteurs a été intensifié.
Par exemple, plusieurs inhibiteurs notables ont été identifiés et leurs structures cristallines libérées, tels que les alpha-cétoamides et le N3 peptidomimétique. Ces structures liées aux inhibiteurs sont en effet des points de départ uniques pour d'autres stratégies d'optimisation des médicaments.
Dans cette nouvelle étude, un groupe de recherche dirigé par James C. Gumbart du Georgia Institute of Technology d'Atlanta, visait à déterminer la stabilité structurelle du SRAS-CoV-2 Mpro en fonction des attributions de protonation pour les résidus histidine et cystéine. La recherche était un effort de collaboration entre le Georgia Institute of Technology, l'Université de L'Aquila, le CNR Institute of Nanoscience, l'Université du Tennessee, Knoxville, l'Université de Lorraine, l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, Oak Ridge National Laboratory et Instituts Novartis pour la recherche biomédicale.
Structure du dimère Mpro et interactions du site de liaison (entrée PDB 6WQF). Homodimère Mpro avec les trois domaines illustrés et codés en couleur comme suit: Domaine I (orange foncé), domaine II (or) et domaine III (monomère vert clair / vert foncé A / B) avec les résidus de dyade catalytique, His41 et Cys145 ( rendu à la réglisse).
Sommaire
Approche méthodologique
«Nous avons étudié les effets sur les propriétés structurelles des systèmes liés à l'apo et au ligand en modifiant l'état de protonation de la dyade catalytique, Cys145 et His41, ainsi que ceux de trois histidines près du site de liaison du substrat, His163, His164 et His172 « , les auteurs de l'étude résument leur approche méthodologique.
Prise en compte de l'ambiguïté apparentée dans les états de protonation du SRAS-CoV-2 Mpro, les chercheurs se sont penchés sur la stabilité de 12 états de protonation possibles de la protéase. Simulations détaillées de la dynamique moléculaire de l'apo et du M lié à un inhibiteurpro des dimères ont été effectués pour chaque état, avec une analyse ultérieure des propriétés structurelles et dynamiques résultantes.
La liaison hydrogène a été évaluée pour les résidus pertinents de la protéine, ainsi qu'entre les inhibiteurs liés et la protéine. Enfin, deux inhibiteurs ont été étudiés en détail: le peptidomimétique N3 et un alpha-cétoamide très puissant.
Combinaisons de protonations multiples
Cette étude a révélé que l'état protoné His41 / Cys145 déprotoné de la dyade catalytique est en fait instable dans les conformations de la structure cristalline, comme en témoigne l'augmentation de la déviation quadratique moyenne, la modification des modèles de liaison hydrogène et le démêlage des inhibiteurs. Néanmoins, cet état peut exister en tant qu'intermédiaire de réaction transitoire.
Les chercheurs ont également montré que les états de protonation His163 et His172 entraînent des perturbations substantielles de plusieurs liaisons hydrogène par rapport aux conformations de la structure cristalline.
De plus, une diminution du volume des poches a été régulièrement observée dans les simulations pour l'état HP163. Dans le même temps, les calculs d'énergie libre ont montré une affinité diminuée pour les deux inhibiteurs testés dans cet état, ce qui retrace qualitativement les réductions de liaisons hydrogène observées.
Contrairement aux autres histidines, ce groupe de recherche a déterminé que plusieurs combinaisons de protonation sont viables pour la paire His41-His164. Par conséquent, ces résidus peuvent prendre différents états de protonation pendant le processus de clivage des protéines.
Liaison hydrogène dans la poche S1. Exemples de configurations de A) HD41-HE164 caractéristique des interactions robustes de poche S1, B) HE41-HD164-HP172 illustrant la rupture de l'interaction S1'-Glu166 et la perte de la liaison hydrogène His163-Tyr161, et C) HE41-HP163-HD164 représentant la perte du don de liaison hydrogène Tyr161 et l'interaction His172-Glu166.
Implications pour l'amélioration et la conception des médicaments
« Nos résultats illustrent l'importance d'utiliser des états de protonation d'histidine appropriés pour modéliser avec précision la structure et la dynamique du SRAS-CoV-2 Mpro dans les deux états liés à l'apo et à l'inhibiteur, une condition préalable nécessaire aux efforts de conception de médicaments », résument les auteurs de l'étude dans ce document bioRxiv papier.
En d'autres termes, les états de protonation les plus importants de Mpro les histidines doivent être prises en compte pour les efforts d'optimisation du peptidomimétique N3 et de l'alpha-cétoamide, ainsi que pour la conception rationnelle et ciblée d'autres inhibiteurs.
Toutefois, in silico les criblages à haut débit de nouveaux inhibiteurs potentiels bénéficieront d'être effectués sur chacun des états de protonation considérés dans cet article, principalement pour le rendre réalisable lorsque le ligand est présent. Ce sera certainement un thème récurrent dans d'autres efforts de recherche sur ce sujet.
Liaison hydrogène cétoamide dans l'état de protonation HE41-HD164. Dans les deux panneaux, les liaisons hydrogène entre le ligand (réglisse vert clair) et la protéine sont indiquées par une ligne bleue, tandis que celles avec de l'eau ou entre les résidus protéiques sont rouges. A) Région autour de l'eau cristallographique. B) conformation dans laquelle le His164 a tourné, créant une liaison hydrogène avec le squelette de Met162. L'eau cristallographique a été libérée.
*Avis important
bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas examinés par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, orienter la pratique clinique / les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.
