建模和模拟为 SARS-CoV-2 提供新见解
在我们之前的博客中，我们讨论了使用预测建模工具来构建潜在药物靶标（例如蛋白质）的初始原子级结构并细化无法通过实验确定的区域（参见视频 ）。这些工具包括添加氢原子和有时无法通过实验解决的灵活环。我们在最近发表在 Science 杂志上的 SARS-CoV-2 刺突 (S) 蛋白的冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 背景下对此进行了研究 （DOI：10.1126/science.abb2507）。
在本博客中，我们将详细介绍 SARS-CoV-2 S 蛋白等精细结构模型的分子建模和模拟如何帮助产生新的假设，以发现和设计治疗 COVID-19 的推定疗法。
药物结合依赖于结构变化
在生命系统中，蛋白质自然地作为动态实体存在。它们的动态通常预先决定了它们的功能。物理学家理查德·费曼曾经说过：
“如果我们要说出最有力的假设，它导致人们不断尝试理解生命，那就是所有事物都是由原子组成的，并且生物所做的一切都可以用术语来理解原子的摇晃和摆动。” 1
SARS-CoV-2 S 蛋白也不例外费曼原理。在进入人体细胞之前，S 蛋白会结合一种称为血管紧张素转换酶 2 (ACE2) 的受体。 2 受体结合域 (RBD) 是结合 ACE2 的 S 蛋白的一部分（图 1A ）。 RBD 可以存在于至少两种主要构象状态，称为向上（受体可接近）和向下（受体不可接近）状态（图 1B ）。当RBD处于up状态时，S蛋白更加“开放”，有利于ACE2的结合。 2 研究表明，受体无法接近的向下状态更稳定。 2 这意味着假定的治疗剂，例如能够结合 RBD 的小有机分子，可以将 RBD 稳定在下降状态并防止病毒与 ACE2 相互作用；因此，阻止 COVID-19 感染人。
S 蛋白的 RBD 就像门上的铰链
一个灵活的接头将 RBD 连接到剩余的 S 蛋白。链接器的灵活性使 RBD 能够通过铰链弯曲运动从向下状态过渡到向上状态（图 1B ）。我们从 SARS-CoV-2 S 蛋白中提取了带有相关柔性接头和相邻结构域的 RBD（图 1C ）。我们使用了处于 up 状态的 S 蛋白 (PDB 6VYB) 的 RBD 结构，但该结构缺少三个可能对结合 ACE2 很重要的环（图 1C ）。因此，我们必须使用最初制作截断的冷冻电镜结构 (PDB 6VYB) 和附加模板来构建带有灵活接头的 RBD 同源模型。附加模板是与 ACE2 (PDB 6M17) 复合的单独 RBD 的晶体结构（图 1A ).
RBD 结构包含包含一个多于 20 个氨基酸残基的环，这些环不存在于开放状态结构 (PDB 6VYB) 中。其中两个循环形成与 ACE2 的交互；因此，同源建模对于理解 Spike 蛋白的相互作用是必要的。然后我们可以在适当的质子化状态下分配氢原子来模拟生理条件，例如 pH 值。
然后我们可以进行分子动力学 (MD) 模拟来模拟构象转变和/或预测可能的结合位点，在这些位点，假定的小分子可能会结合以破坏 S 蛋白与 ACE2 的相互作用。当我们使用 BIOVIA Discovery Studio 为 RBD 与柔性接头的同源模型预测可能的结合位点时，我们确定了位于柔性接头铰链处的结合位点（图 1C ）。我们将这个区域标记为铰链，并指出它可能值得进一步研究以发现推定的治疗方法。如果一个小分子在铰链区结合，可以想象它可以将 RBD 锁定在一个向下的状态，从而阻止 ACE2 结合。
进一步调查
包括计算预测和生物实验在内的广泛研究可能会进一步阐明铰链区的实用性。计算预测的示例可能包括正态模式分析 (NMA) 和/或 MD 模拟。 3 例如，MD 模拟的长时间尺度（大约数百纳秒）可以让科学家对铰链区的多种构象进行采样。
另一方面，NMA 可以提供对构象转换的粗略和快速估计。 3 来自 MD 模拟和/或 NMA 的特定构象是潜在小分子数据库的高通量虚拟筛选的起点。科学家可以对接每个小分子并对所有构象进行评分。然后，他们可以对所有生成的姿势进行排名，并提交最佳命中以进行实验验证。研究表明，这种计算药物发现方法（通常称为基于集成的虚拟筛选）提高了识别候选药物的机会。 4 如上所述，该方法还反映了药物结合取决于蛋白质结构变化的现实。我们认为这里确定的初步结果很有趣，值得进一步研究。
其次，我们要注意的是，精制的 S 蛋白结构模型可以用作免疫治疗的靶点。 5 科学家可以根据对 ACE2 结合位点的先验知识，设计与 SARS CoV-2 S 蛋白结合的单克隆抗体。然后他们可以在硅片 亲和力成熟研究以提高结合特异性。 6
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