COVID-19の再利用治療薬の作用機序を理解するためのネイティブMSの有用性：宿主細胞受容体とSARS-CoV-2相互作用のディスラプターとしてのヘパリン

The utility of native MS for understanding the mechanism of action of repurposed therapeutics in COVID-19: heparin as a disruptor of the SARS-CoV-2 interaction with its host cell receptor.

• Yang Yang
• Yi Du
• Igor A Kaltashov

抄録

新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）の出現と急速な増殖により、世界的なパンデミックが発生し、2020年5月末までに世界で600万人以上の感染者と40万人近くの死亡者が報告されました。治療法の発見を急ぐ中で、COVID-19の治療における潜在的な役割と照らし合わせて既存の治療法の再評価が行われ、そのような取り組みをサポートできる分析ツールが重要視されるようになりました。ネイティブ質量分析法（MS）は、薬物と治療標的の相互作用のメカニズム研究をサポートするためのツールとして長い間使用されてきましたが、構造的に不均一性の高いシステムを含む場合には、その用途は限定されています。宿主細胞へのウイルスの侵入に重要な要素である SARS-CoV-2 スパイクタンパク質（S-タンパク質）と宿主細胞表面のドッキング部位である ACE2 は、どちらも広範囲にグリコシル化されているため、ネイティブ MS の標的としては挑戦的である。しかし、気相イオン操作技術（限定電荷還元）を用いてネイティブMSを行うことで、ACE2とSタンパク質の受容体結合ドメイン（RBD）が形成する非共有結合複合体の情報を得ることができる。また、この手法と分子モデリングを組み合わせることで、ACE2/RBD結合を不安定化させるヘパリンの役割を研究することができ、ウイルスの宿主細胞受容体へのドッキングに対する干渉の分子機構を理解するための重要な情報を提供することができます。短い（ペンタ糖）ヘパリンオリゴマーと比較的長い（エイコサッカライド）ヘパリンオリゴマーの両方がRBDと1:1の複合体を形成しており、単一の結合部位が存在することを示している。この結合はタンパク質の構造を変化させ（RBD表面の電荷の連続したパッチを最大化する）、結果としてACE2との結合能力を著しく低下させます。ヘパリンの不安定化効果は、長鎖の場合には、RBD表面に収容されていない低PIのACE2とヘパリンセグメントとの間の静電反発により、より顕著になります。ヘパリンによるACE2/RBD結合の減衰に関する重要なメカニズムの情報を提供することに加えて、本研究は、COVID-19の治療のための既存の医薬品の合理的な再利用を促進する手段として、気相イオン化学と結合したネイティブMSのまだ開拓されていない可能性を実証している。

The emergence and rapid proliferation of the novel coronavirus (SARS-CoV-2) resulted in a global pandemic, with over six million cases and nearly four hundred thousand deaths reported worldwide by the end of May 2020. A rush to find the cure prompted re-evaluation of a range of existing therapeutics vis-à-vis their potential role in treating COVID-19, placing a pre-mium on analytical tools capable of supporting such efforts. Native mass spectrometry (MS) has long been a tool of choice in supporting the mechanistic studies of drug/therapeutic target interactions, but its applications remain limited in the cases that involve systems with a high level of structural heterogeneity. Both SARS-CoV-2 spike protein (S-protein), a critical ele-ment of the viral entry to the host cell, and ACE2, its docking site on the host cell surface, are extensively glycosylated, mak-ing them challenging targets for native MS. However, supplementing native MS with a gas-phase ion manipulation tech-nique (limited charge reduction) allows meaningful information to be obtained on the non-covalent complexes formed by ACE2 and the receptor-binding domain (RBD) of the S-protein. Using this technique in combination with molecular model-ing also allows the role of heparin in destabilizing the ACE2/RBD association to be studied, providing critical information for understanding the molecular mechanism of its interference with the virus docking to the host cell receptor. Both short (pen-tasaccharide) and relatively long (eicosasaccharide) heparin oligomers form 1:1 complexes with RBD, indicating the pres-ence of a single binding site. This association alters the protein conformation (to maximize the contiguous patch of the posi-tive charge on the RBD surface), resulting in a notable decrease of its ability to associate with ACE2. The destabilizing effect of heparin is more pronounced in the case of the longer chains due to the electrostatic repulsion between the low-pI ACE2 and the heparin segments not accommodated on the RBD surface. In addition to providing important mechanistic infor-mation on attenuation of the ACE2/RBD association by heparin, the study demonstrates the yet untapped potential of na-tive MS coupled to gas-phase ion chemistry as a means of facilitating rational repurposing of the existing medicines for treating COVID-19.