SARSおよびMERSコロナウイルスパパイン様プロテアーゼのプロトン共役コンフォーメーションダイナミクスの評価。ブロードスペクトラム抗ウイルス剤の設計への示唆

Assessment of Proton-Coupled Conformational Dynamics of SARS and MERS Coronavirus Papain-like Proteases: Implication for Designing Broad-Spectrum Antiviral Inhibitors.

• Jack A Henderson
• Neha Verma
• Jana Shen

抄録

COVID-19パンデミックを阻止し、将来のパンデミックを予防するためには、ブロードスペクトラム抗ウイルス薬が緊急に必要である。新規の重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2（SARS-CoV-2）は、過去の流行の原因となったSARS-CoVや中東呼吸器症候群コロナウイルス（MERS-CoV）と関連している。パパイン様プロテアーゼ（PLpro）は、ウイルスのライフサイクルにおいて本質的な役割を果たすことから、魅力的な創薬標的である。システインプロテアーゼであるPLproは、システインとヒスチジンを豊富に含み、それらのプロトン化/脱プロトン化が触媒作用や構造可塑性を調節している。ここでは、SARS-CoV-2のプロトン共役型コンフォメーションダイナミクスをSARS-CoVおよびMERS-CoV PLproと比較して、GPUアクセラレーションによる暗黙溶媒連続一定pH分子動力学法を用いて計算した結果を報告する。計算されたpKは、Cys-His-Asp三位一体の触媒的役割を支持するものであった。また、SARS-CoV-2/CoV PLproのフレキシブルブロッキングループ2(BL2)に位置するC270/271は、生理的pHでプロトン化状態を切り替えることができることがわかった。シミュレーションの結果、BL2のコンフォメーションダイナミクスはC271/270の滴定と結合していることが明らかになり、SARS-CoV-2/CoV PLproの結晶構造と一致した。また、シミュレーションの結果、MERS-CoV PLproのBL2は、類似のシステインが存在しないにもかかわらず、開状態と閉状態の両方をサンプリングし、非常に柔軟であることが明らかになった。本研究は、CoV PLproに対する幅広いスペクトルの阻害剤を構造に基づいて設計するための、より詳細なメカニズム研究の出発点を提供するものである。

Broad-spectrum antiviral drugs are urgently needed to stop the COVID-19 pandemic and prevent future ones. The novel severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is related to SARS-CoV and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV), which have caused the previous outbreaks. The papain-like protease (PLpro) is an attractive drug target due to its essential roles in the viral life cycle. As a cysteine protease, PLpro is rich in cysteines and histidines and their protonation/deprotonation modulates catalysis and conformational plasticity. Here we report the pK calculations and assessment of the proton-coupled conformational dynamics of SARS-CoV-2 in comparison to SARS-CoV and MERS-CoV PLpros using a newly developed GPU-accelerated implicit-solvent continuous constant pH molecular dynamics method with an asynchronous replica-exchange scheme. The calculated pK 's support the catalytic roles of the Cys-His-Asp triad. We also found that several residues can switch protonation states at physiological pH, among which is C270/271 located on the flexible blocking loop 2 (BL2) of SARS-CoV-2/CoV PLpro. Simulations revealed that the BL2 conformational dynamics is coupled to the titration of C271/270, in agreement with the crystal structures of SARS-CoV-2 PLpro. Simulations also revealed that BL2 in MERS-CoV PLpro is very flexible, sampling both open and closed states despite the lack of an analogous cysteine. Our work provides a starting point for more detailed mechanistic studies to assist structure-based design of broad-spectrum inhibitors against CoV PLpros.