2020年4月12日/醫麥客新聞 eMedClub News/--目前新冠肺炎應對措施的開發主要集中在藥物和疫苗兩方面，面對疫情的全球蔓延，這些研發工作時間緊迫，但也都逐步取得了較大進展。疫苗方面國內外都已經在開展臨床試驗。而對於新冠肺炎病人的治療，目前依然沒有特效藥，這也是個科研攻關團隊迫切需要解決的問題。
日前，上海科技大學團隊及其合作團隊先後在國際權威學術刊物Nature和Science上發表了新冠病毒重要研究成果，進一步推進了新冠肺炎藥物開發的進程。
解析新冠病毒主蛋白酶三維結構，發現潛在藥物
4月9日，經國際權威學術刊物Nature邀請投稿，上海科技大學饒子和、楊海濤團隊與合作者組成的“抗新冠病毒攻關聯盟”在該期刊上以“Structure of Mpro from COVID-19 virus and discovery of its inhibitors”為題聯合發表了新冠病毒的重要研究成果。該研究率先在國際上成功解析新型冠狀病毒關鍵藥物靶點——
主蛋白酶（Mpro）的高分辨率三維空間結構，並綜合利用三種不同的藥物發現策略，找到針對新冠病毒的潛在藥物。 “抗新冠病毒攻關聯盟”由上海科技大學-清華大學饒子和/楊海濤團隊、中科院上海藥物所蔣華良團隊、軍事科學院軍事醫學研究院秦成峰團隊以及中科院武漢病毒所石正麗團隊、肖庚富團隊等組成。國家蛋白質科學中心（上海）主任兼上海科技大學生命科學與技術學院教授許文青、澳大利亞昆士蘭大學的Luke W. Guddat教授參與了研究。
新型冠狀病毒非常“狡猾”，在入侵細胞後，會立即利用細胞內的物質合成自身複製必需的兩條超長複製酶多肽（pp1a和pp1ab）。這兩條複製酶多肽需要被剪切成多個零件（如RNA依賴的RNA聚合酶、解旋酶等等）；這些零件進一步組裝成一臺龐大的複製轉錄機器，然後病毒才能啟動自身遺傳物質的大量複製。兩條複製酶多肽的剪切要求異常精確，因此病毒自身編碼了一把神奇的“魔剪”——主蛋白酶（Mpro）。
這把“魔剪”在複製酶多肽上存在至少11個切割位點，只有當這些位點被正常切割後，這些病毒複製相關的“零件”才能順利組裝成複製轉錄機器，啟動病毒的複製。由於主蛋白酶這把“魔剪”在病毒複製過程中起到至關重要的作用，且人體中並無類似的蛋白質，因此主蛋白酶就成為一個抗新冠病毒的關鍵藥靶。
昆士蘭大學的Guddat教授說：”此項目針對的是主要的新冠病毒酶，即主要蛋白酶（Mpro），它在介導病毒複製中起著關鍵作用，這使得它成為這種病毒的一個有吸引力的藥物靶標，由於人們天生就沒有這種酶，針對它的化合物可能具有低毒性。”
而面對此次突發疫情，雖然有以往對抗SARS、 MERS等傳染病的經驗，但新冠病毒也具有其獨特性，在疫情期間迅速找到具有臨床潛力的藥物仍然是一個重大挑戰。為解決這一難題，結合這一研究，攻關“聯盟”首先瞄準了“老藥”，即成藥、臨床試驗藥物以及天然產物；其次攻關“聯盟”同時開展了從頭設計、計算機虛擬篩選和高通量篩選三種不同的研究策略，三管齊下。
在從頭設計的研究策略中，攻關“聯盟”通過計算機輔助設計（ CADD）設計了Michael受體抑制劑N3，並發現它是主蛋白酶的強效抑制劑，率先解析了2.1Å的“主蛋白酶-N3”的高分辨率複合物結構（隨後又提高至1.7Å）。這一結構是世界上第一個被解析的新冠病毒蛋白質的三維空間結構。
▲（左）新冠病毒主蛋白酶-抑制劑N3的複合物結構；（右）冠狀病毒主蛋白酶的底物結合口袋是一個保守藥物設計靶點（圖片來源：natrure)
之後，攻關“聯盟”繼續聯合利用虛擬篩選和高通量篩選策略相結合的方式，對10000多個老藥、臨床藥物以及天然活性產物進行篩選，確定了6種 對主蛋白酶有顯著抑制作用的先導藥物，其中戒酒藥雙硫侖（disulfiram）和抗腫瘤藥卡莫氟（carmofur）為FDA批准藥物，而依布硒（ebselen）、紫草醌（shikonin）、tideglusib、PX-12臨床試驗階段藥物。
後續的抗新冠病毒實驗顯示，6種先導藥物中，依布硒的Mpro蛋白酶抑制效果最強，依布硒和N3均能在細胞水平顯著抑制新冠病毒的複製。值得一提的是，依布硒已用於治療聽力障礙等多種疾病的臨床試驗（完成臨床二期），並具有很好的安全性表現。上述研究成果，為迅速開發具有臨床潛力的抗新冠肺炎的藥物奠定了重要基礎。
Guddat教授也表示：“已經在藥物管線研發過程中的化合物是首選，因為它們可以作為抗病毒藥物進行進一步測試，而且速度比新先導藥物更快，因為新先導藥物必須從頭開始。我們特別關注的是幾個已經經過臨床試驗的先導藥物，其中包括預防和治療各種疾病的，如心血管疾病、關節炎、中風、動脈粥樣硬化和癌症。”
為方便相關的科技工作者第一時間開發以該酶為靶點的抗病毒藥物，攻關“聯盟”第一時間公開了研究成果，並在PDB蛋白質結構數據庫（Protein Data Bank, PDB）公開了結構的座標。自1月26日起，團隊已為國內外300多家高校、研究機構及企業的實驗室直接提供了數據。該結構被PDB蛋白質結構數據庫選為2020年2月的明星分子（February Molecule of the Month），並被PDB撰文報道。
“現在我們和全球科學家同行來充分利用這一突破。通過持續和大規模的努力，我們樂觀地認為，在不久的將來，新的候選藥物可以進入COVID-19藥物研發管線。”Guddat教授說。
解析新冠病毒RNA聚合酶複合體的三維精細結構
4月10日，由饒子和院士/婁智勇教授/王權教授等組成的上海科技大學-清華大學抗新冠病毒聯合攻關團隊”在Science雜誌發表研究論文，率先在國際上成功解析了新冠病毒轉錄複製機器核心單元“RdRp（RNA依賴的RNA聚合酶）與輔助因子nsp7和nsp8複合物”近原子分辨率（2.9 埃（Å））的三維空間結構。對於解析高分辨率的病毒RdRp來說，這是一個重要的突破；而此次聚合酶結構的解析也為藥物篩選提供了重要的結構依據。
RNA依賴RNA聚合酶（RdRp）又稱第12號非結構蛋白（nsp12），在病毒內催化病毒RNA的合成，它是冠狀病毒複製的核心組成部分，同時也是抗病毒藥物例如瑞德西韋、法匹拉韋的主要靶點。對新冠病毒遺傳物質轉錄複製機器核心單元結構特徵的揭示，為開發針對新冠肺炎的藥物奠定了重要基礎。
具體來說，新型冠狀病毒在入侵宿主細胞後，便開始大量複製，這其中又以遺傳物質RNA基因組的轉錄和複製兩個過程為核心。遺傳物質的轉錄將最終經過翻譯形成新生病毒的結構組成蛋白質，而其複製將形成新生病毒的RNA基因組。RdRp能夠與其他多個非結構蛋白質組裝形成一臺高效的RNA合成“機器”，完成這兩大過程。
RNA聚合酶作為這臺轉錄複製機器的核心部件，是最重要的抗病毒藥物靶標之一，破壞其功能預期將能夠阻止病毒的複製，最終達到治療的目的。而儘管新冠病毒的nsp12-nsp7-nsp8複合物的總體結構與SARS-CoV的大體相似，但也有一些關鍵特徵可以區分它們。
研究解析的複合物結構顯示，新型冠狀病毒的RNA聚合酶具有其它病毒RNA聚合酶的保守特徵，並含有套式病毒（Nidovirus）的NiRAN（Nidovirus RdRp-associated nucleotidyltransferase）特徵結構域；同時病毒RNA聚合酶與病毒的非結構蛋白nsp7和nsp8組成了轉錄複製機器的核心單元。
令人興奮的是，研究人員還首次在新型冠狀病毒的RNA聚合酶的N端發現了一個獨特的“N-末端β-髮夾”結構域，這一結構域的發現為闡明新型冠狀病毒RNA聚合酶的生物學功能提供了新的線索。
▲（a）新冠病毒聚合酶的功能結構域的組成（b）新冠病毒nsp12-nsp7-nsp8複合體的結構形態（圖片來源於：Science）
新冠病毒的聚合酶nsp12是一個很好的藥物靶點，特別是考慮到能與一些已有的核苷酸類似物進行結合。目前備受矚目的廣譜抗病毒藥物法匹拉韋（Favipiravir）和仍處於臨床研究階段的瑞德西韋，預期即是進入人體後，通過代謝修飾，形成最終效應分子並靶向病毒RNA聚合酶發揮藥效的。目前二者已經雙雙進入抗擊新型冠狀病毒的臨床試驗。
研究團隊通過對該原子分辨率結構的深入分析，發現了新型冠狀病毒RNA聚合酶行使功能的關鍵氨基酸殘基，並通過與“丙型肝炎病毒聚合酶ns5b-索非布韋（Sofosbuvir）效應分子”複合物結構進行比對，提出了瑞德西韋和法匹拉韋的效應分子（即代謝後的最終產物）抑制新型冠狀病毒RNA聚合酶的可能作用模式。本研究的作者預測了瑞德西韋三磷酸形式與複製酶複合物的潛在結合方式，為解釋藥物小分子和聚合酶藥物靶點提供了結構基礎。
本研究首次精細描繪出了新型冠狀病毒“RdRp-nsp7-nsp8”轉錄複製機器的內部構造，併為瑞德西韋和法匹拉韋等候選藥物的效應分子如何精確靶向抑制病毒RNA合成進而發揮藥效活性提出了合理的機制解釋，這為深入研究新型冠狀病毒複製的分子機理奠定了重要的理論基礎，併為開發抗新冠肺炎的特效藥開闢了新途徑。
結語
在沒有特效藥的情況下，針對新型冠狀病毒的藥物靶點的研究，以及對此類靶向藥物的研發和藥效機制的驗證至關重要，迫在眉睫！我們期待眾多的研究能拼成一幅完整的拼圖，早日為新冠肺炎開發出突破性的治療藥物。
https://medicalxpress.com/news/2020-04-covid-drug-treatments.html
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2223-y_reference.pdf
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/09/science.abb7498/tab-pdf
上海科技大學免疫化學研究所
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