Рациональная разработка противовирусных препаратов: «обезвредить» ножницы SARS-CoV-2

В течение последних месяцев, сколько раз мы слышали о разработке конкретных противовирусных препаратов против SARS-CoV-2? Очевидно - и верно - множество. Как сделать желаемое реальностью? Какие стратегии мы можем использовать, на основе информации, полученной в результате выделения и секвенирования генетического материала вируса?

Во-первых, нам нужно определить молекулярную «мишень», на которую мы можем направить свое «оружие». Здесь пригодятся предыдущие знания о биологии коронавирусов. Двадцать лет назад коронавирусы считались не очень опасными, и те, кто их изучал, казалось, были заинтересованы в проблеме с ограниченным применением для здоровья человека. Однако именно благодаря фундаментальным исследованиям, основанных на любопытстве ученых, сегодня у нас есть направление в борьбе с вирусом.

Когда коронавирус заражает клетки, он высвобождает свой генетический материал (большую молекулу РНК), и наш клеточный механизм начинает использовать его для синтеза белков вируса. Сам вирус организован таким образом, что некоторые из его белков синтезируются, в связке как жемчужины в ожерелье. Однако, для формирования новых вирусных единиц, белки должны отделяться друг от друга. Здесь вмешиваются молекулярные ножницы, вирусные протеазы (прим. ред., протеазы — ферменты из класса гидролаз, которые расщепляют пептидную связь между аминокислотами в белках), которые, разрезая «ожерелье» в определенных точках, высвобождают белки, чтобы каждый белок мог выполнять свою конкретную функцию.

Основная протеаза SARS-CoV-2 называется Mpro (Main Protease – англ., прим. ред.), без ее действия вирус не может размножаться и инфицировать новые клетки. Следовательно, молекула, которая способна «притупить» эти вирусные ножницы, будет соединением с потенциальным противовирусным действием. Эти соединения называются ингибиторами, потому что они блокируют естественную активность протеазы. Mpro является еще более привлекательной мишенью из-за своей уникальности: дело в том, что в организме человека нет белков с аналогичной структурой и функцией, поэтому соединение, которое ингибирует действие вирусной протеазы, имеет низкую вероятность вызвать серьезные побочные эффекты у пациента.

Как мы можем создать молекулу-ингибитора Mpro? Самый действенный способ – визуализировать структуру белка, увидеть, какая его часть представляет собой «лезвие» ножниц и какую форму он должен создать, чтобы он не мог выполнить молекулярные разрезы. Мы хотим получить соединение, обладающее высокой степенью аффинности к белку, то есть способно ингибировать Mpro, даже в небольших количествах. Кроме того, важно, чтобы полученное соединение обладало высокой специфичностью, то есть не отвлекалось на другие похожие белки.

Деталь цикла репликации SARS-CoV-2. Оболочка вируса сливается с клеточной мембраной. Как только РНК высвобождается в цитоплазму, она переводится в полипротеины, среди которых и основная протеаза (обозначена на схеме ножницами). Протеаза разрезает полипротеины: один из этих срезов образует фермент РНК-полимеразу, необходимый для репликации вируса.

В феврале 2020 исследовательские группы профессоров Рао и Хильгенфельда выделили первые структуры Mpro из SARS-CoV-2 как в форме «открытых ножниц», так и в сочетании с различными ингибиторами, один из которых является высокоспецифичным и с высоким потенциалом для разработки противовирусных препаратов в будущем. Mpro протеаза представляет собой димер, то есть для функционирования она должна быть образована двумя равными цепями, связанными друг с другом, и имеет поверхностный карман, в котором разрезается вирусный полипротеин. Характеристики этого кармана (форма, размер) должны быть использованы для разработки оптимального ингибитора.

Деталь димерной структуры Mpro из SARS-CoV-2, представленная в виде молекулярной поверхности, из двух цепей, окрашенных в оттенки зеленого. Анализ структурных характеристик белка позволил выявить поверхностный карман, в котором разрезается вирусный полипротеин, и разработать его ингибиторы. Примером является соединение, комплементарное по форме и химическим характеристикам к поверхностному карману и которое ингибирует активность Mpro. Структура, используемая для создания изображений, хранится с кодом 6Y2F в банке протеиновых данных (http://www.rcsb.org/pdb). Предоставлено доктором Дегано.

В общей сложности было определено 152 структуры Mpro, связанных с различными фрагментами молекулы, дающих нам информацию о том, как улучшить сродство и специфичность ингибиторов. В этом случае используется метод рентгеновской кристаллографии. Метод, который с 1945 года позволяет нам визуализировать биологические молекулы с детализацией вплоть до уровня одного атома.