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科研动态|周耀旗及合作者最新成果:高通量筛选临床用药发现了新冠病毒木瓜蛋白酶样蛋白(PLpro)的抑制剂

2021.08.11

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新冠病毒已经导致了全球超过两亿人口被感染,其中四百多万人死亡。这个一年多前出现的病毒还在全世界不断地进化、施虐。虽然疫苗能够降低感染率和重症率,但仍旧没有很好的针对性治疗药物,所以发展抗新冠药物势在必行。木瓜蛋白酶样蛋白酶(PLpro)是该病毒的一个关键酶,它把新合成出来的病毒多肽链切割成能工作的病毒蛋白,同时它能抑制干扰素刺激蛋白15(ISG15)从而让病毒逃避人体细胞内的内在抗病毒反应。深圳湾实验室周耀旗课题组、格里菲斯大学的詹剑研究员与南方医科大学徐伟课题组合作建立了两种筛选PLpro抑制剂的方法,并成功地从临床批准的药物库中发现了两个50%抑制浓度(IC₅₀)低于 10μM的抑制剂,该项研究发表在International Journal of Biological Macromolecules (2021)上。


新冠病毒已经危害全世界一年多了。虽然疫苗的使用大幅度地降低了死亡率,但是病毒正在不断变异,目前流行的delta变体已经降低了当今各种疫苗的有效性,因此单纯依靠接种疫苗战胜病毒的希望不大,找到有效的抗新冠药物仍旧是科研的一大重点。

新冠病毒在人体细胞内的复制依赖其自身的两个蛋白酶,它们把新生成的多肽链切割成能工作、进一步复制、感染其它细胞的病毒蛋白,二者之一就是木瓜蛋白酶样蛋白酶(PLpro)。除了切割的功能,PLpro同时还能抑制人体细胞内的干扰素刺激蛋白15(ISG15),阻止干扰素的产生和细胞内抗病毒机制的激发。原则上只要破坏PLpro的任何一个功能,就能有效地制止新冠病毒的繁殖。

最快发现有效新药的一个办法是老药新用,也就是从已经临床使用的药物里面寻找针对PLpro有效的抑制剂。针对PLpro上述两个功能,周耀旗、詹剑与徐伟课题组合作发展了两种不同的方法来分别筛选抑制多肽链切割和ISG15相互作用的功能。对于多肽链切割的抑制,合作团队利用PLpro已知的切割底物的序列,设计了荧光肽 ALKGG-AMC。PLpro与ALKGG-AMC混合并将其裂解而释放游离的AMC,从而可以测量到AMC的荧光信号。如果PLpro与老药分子混合,再加上ALKGG-AMC后,荧光信号的强度变化可以用来判断旧药能否有效地抑制蛋白酶的活性。同样,药物分子能否抑制PLpro与ISG15的相互作用,可以用荧光标记的人源ISG15的荧光偏振信号的变化来确定。

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利用上述两个高通量方法,合作团队一共筛选了1971种临床用药,发现了丹参酮 IIA 磺酸钠可以抑制PLpro蛋白酶的活性,而氯喔星可以抑制PLpro与ISG15的相互作用,而且高通量药物筛选的结果也进一步被细胞水平上的实验所证实。分子动力学的研究也证实了这两个分子作用在PLpro功能的不同位置(图1)。丹参酮IIA磺酸钠是丹参酮IIA的衍生物,在心脏保护药物的开发中非常有前景。氯喔星是抗菌素,值得注意的是氯喔星是氯喹的类似物。氯喹和磷酸氯喹曾经被用于新冠的治疗,但有效性还没有被证明,有必要进一步研究其类似物氯喔星的抗病毒能力。两个化合物的IC₅₀分别是2μM和7μM,虽然它们的抑制能力不是太高,但足以作为初始化合物来进一步优化。该工作表明高通量的筛选能够有效地发现新抑制剂,下一步合作团队将进一步扩大筛选药物库,以求发现活性更高的抑制剂。

该研究课题得到了广东省重大科技专项、广东省防治新型冠状病毒科技攻关专项、深圳湾实验室重大项目及国家自然科学基金委的支持。深圳湾实验室高性能计算与信息平台为其提供了技术支撑。

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周耀旗

资深研究员

周耀旗教授从今年3月起全职加入了深圳湾实验室,他是1984年中国科技大学近代化学系的学士,1990年美国纽约州立石溪大学化学物理的博士,1994-2000年北卡州立大学、哈佛大学的博士后,2000年任纽约州立布法罗大学助理教授,2004年升为终身副教授,2006年成为印第安纳大学信息学院和医学院终身正教授,2013-2021年任澳大利亚格里菲斯大学糖组学研究所正教授。他长期在结构生物信息学方面工作,曾经多次在国际蛋白质结构预测和功能预测比赛中名列前茅。到目前为止共发表论文200余篇,引用1万多次,H因子62。目前,周耀旗课题组通过计算和实验的结合,从事蛋白质/RNA的序列、结构与功能关系方面的基础研究和生物分子检测、药物开发方面的应用研究。寻找在RNA/蛋白方面有AI计算、分子和细胞生物学实验相关经验的博士后、科研助理和助理研究员。

论文全文:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141813021016445

文章来源 | 周耀旗课题组