Crystalo Biopharma晶蛋生物

2021年11月5日，辉瑞宣布其新冠口服药物Paxlovid减少新冠肺炎非住院患者的住院或死亡率高达89%，展现出惊人疗效，显著优于已上市的默沙东Molnupiravir。受该消息影响，辉瑞股价盘前大涨10%，市值增加250亿美元⁽¹⁾。

近日，晶蛋生物科学团队在预印本《Biorxiv》上发表了题为”Structural basis of main proteases of coronavirus bound to drug candidate PF-07321332”文章，报道了与新冠口服药物Paxlovid主要成分PF-07321332结合三种不同冠状病毒（SARS-CoV-2，SARS-CoV 和MERS-CoV）主蛋白酶（Mpro或3CLpro）的三种晶体结构，揭示了在SARS-CoV-2、SARS-CoV和MERS-CoV中保守的药物结合位点，这些结构将极大加速科学家研发出疗效更好和更加安全的新冠口服药物⁽²⁾。

 

 

 

 

 

 

  

新冠疫情期间，基于成熟的结构生物学和基于结构的药物设计平台，晶蛋生物团队从零开始展现出强大的执行力，针对新冠病毒药物研发做出系列重要工作，在《Science Bulletin》,《Journal of Virology》和《SCIENCE CHINA Life Science》发表中药活性成分紫草素和纳米抗体的广谱抗冠状病毒作用，同时这些候选药物对于新冠变异毒株也有显著的抑制作用^（3-5）。

图1 Biorxiv 预印本发表晶蛋生物团队成果

研究发现PF-07321332对SARS-CoV-2的主蛋白酶具有强抑制作用，IC50值为0.023μM（图1），同时对于SARS-CoV和MERS-CoV的主蛋白酶有广谱的抑制效果。为了进一步探索PF-07321332的分子机制，团队解析了 SARS-CoV-2主蛋白酶与PF-07321332 (PFMpro-Co) 复合物的晶体结构（如下图2，分辨率为 1.5 Å）。研究发现主蛋白酶域I和II之间裂隙中的狭长空腔具有多个抑制剂结合位点，其中PF-07321332占据亚位点S1、S2和S4，除了典型的共价相互作用外，PF-07321332还与活性位点形成多种非共价相互作用。与其他抑制剂相比，其抑制性更强，进一步解释了辉瑞Paxlovid的治疗效果优于其它抑制剂的原因。

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图2 SARS-CoV-2 Mpro与PF-07321332

的复合物晶体结构

另外，我们还分别以 2.0 Å 和 2.5 Å 分辨率测定了 PF-07321332与 SARS-CoV 和 MERS-CoV Mpro复合物的晶体结构。PF-07321332和SARS-CoV，MERS-CoV的底物结合位点与其和SARS-CoV-2 Mpro的底物结合位点具有高度相似的构象（图 3a 和 3b）。与SARS-CoV-2 Mpro 的情况一样，PF-07321332与S1、S2 和S4亚位点结合，并与催化残基半胱氨酸形成共价键（图 3c 和 3d）。此外，蛋白酶中的几个氨基酸残基，包括 F140、C145、H163、H164、E166 和 Q192，与 SARS-CoV Mpro-PF-07321332 复合物中的抑制剂形成氢键相互作用。MERS-CoV Mpro与PF-07321332相互作用的关键残基是高度保守的（图 3e-3h）。这些观察结果与冠状病毒中Mpro结构高度保守的事实一致，因此，我们分析PF-07321332可能是一种具有广谱的、有效的抗冠状病毒抑制剂，可以战胜各种冠状病毒引起的疾病。

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图3 SARS-CoV和MERS-CoV Mpro与PF-07321332复合物的晶体结构

 

 

 

 

 

 

本次研究，我们还对PF-07321332、以及其他共价抑制剂与 SARS CoV-2 Mpro复合物的进行结构比较分析（如下图4）。除了carmofur和boceprevir外，所有这些小分子与催化残基半胱氨酸形成C-S共价键（图 4），并在 P1 位置形成内酰胺环，与S1亚位点非常吻合。SARS-CoV-2 Mpro 的亚位点S2似乎更喜欢疏水相互作用，所有这些抑制剂都在P2位形成疏水基团，例如异丙基和二甲基环丙基脯氨酸 (DMCP) 基团。然而，这些抑制剂的P3与S3口袋不匹配。PF-07321332的结合模式与boceprevir在P4位的结合模式相似，但在F原子取代和与Q192形成氢键方面有所不同^（6-8）。

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图4 针对SARS-CoV Mpro不同抑制剂的

结合模式比较

本研究中报道的与主蛋白酶复合物的抑制剂的结构或将为开发和优化更有效的抗 SARS-CoV-2感染药物提供结构基础，基于结构对此类抑制剂的优化或将有助于生成高效、广谱的针对当前COVID-19大流行的药物。

 

 

新冠疫情爆发以来，晶蛋生物积极投身于新冠肺炎药物相关研发。早前，晶蛋生物团队在《Science Bulletin》,《Journal of Virology》和《SCIENCE CHINA Life Science》发表了中药活性成分紫草素广谱抑制冠状病毒的相关成果，全球首次报道了SARS CoV-2主蛋白酶与紫草素复合物晶体结构，揭示中药活性成分紫草素抑制新冠病毒主蛋白酶的分子机制。目前，我们正针对紫草素进行抗冠状病毒广谱药物开发，通过对冠状病毒主蛋白酶和辉瑞PF-07321332复合物的晶体结构的深度研究，以及结合目前辉瑞Paxlovid的显著治疗效果和紫草素项目的实验数据分析，由于紫草素来源于天然中药，紫草素及其衍生物或将成为能媲美Paxlovid甚至比其更好的抗冠状病毒药物，对于抗击未来的冠状肺炎疫情具有重要的意义。

图5 紫草素和SARS-CoV-2主蛋白酶的复合物晶体结构

参考文献：

1.BBC News - Covid: Pfizer says antiviral pill 89% effective in high risk cases https://www.bbc.co.uk/news/health-59178291.

2. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.11.05.467529v1.

3. Li, J., et al., Crystal structure of SARS-CoV-2 main protease in complex with the natural product inhibitor shikonin illuminates a unique binding mode. Sci Bull (Beijing), 2021. 66(7): p. 661-663.

4. Zhang, Y., et al., Structure-based discovery and structural basis of a novel broad-spectrum natural product against main protease of coronavirus. J Virol, 2021: p. Jvi0125321.

5. Zhou, X., et al., Structure of SARS-CoV-2 main protease in the apo state. Sci China Life Sci, 2020: p. 1-4.

6. Dai, W., et al., Structure-based design of antiviral drug candidates targeting the SARS-CoV-2 main protease. Science, 2020.

7. Jin, Z., et al., Structure of M(pro) from COVID-19 virus and discovery of its inhibitors. Nature, 2020.

8. Zhang, L., et al., α-Ketoamides as Broad-Spectrum Inhibitors of Coronavirus and Enterovirus Replication: Structure-Based Design, Synthesis, and Activity Assessment. J Med Chem, 2020. 63(9): p. 4562-4578.