上科大等新冠联合攻关团队科研成果荣登Nature——解析新冠病毒主蛋白酶三维结构,并发现多个抑制剂

发布者:冯明静发布时间:2020-04-11浏览次数:810

(左)新冠病毒主蛋白酶-抑制剂N3的复合物结构;(右)冠状病毒主蛋白酶的底物结合口袋是一个保守药物设计靶点


北京时间4月9日下午5点,经国际权威学术刊物Nature邀请投稿,上海科技大学饶子和/杨海涛团队与合作者组成的“抗新冠病毒攻关联盟”在该期刊上联合发表了新冠病毒的重要研究成果“Structure of Mpro from COVID-19 virus and discovery of its inhibitors”,率先在国际上成功解析新型冠状病毒关键药物靶点——主蛋白酶(Mpro)的高分辨率三维空间结构,并综合利用三种不同的药物发现策略,找到针对新冠病毒的抑制剂。

这也是今年以来上科大在国际顶尖学术期刊发布的第三篇重大科研成果。今年1月31日,我校iHuman研究所执行所长刘志杰研究团队在人源大麻素受体结构与功能的最新研究成果,在Cell上在线发表;2月20日,iHuman研究所徐菲课题组与合作组解析首个孤儿受体三维结构的科研成果,在Nature上在线发表。


截至4月8日,全球累计确诊新冠肺炎约150万人,死亡人数超过8.7万人,已覆盖全球200多个国家和地区。新型冠状病毒与严重急性呼吸道综合征冠状病毒(SARS-CoV)和中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)具有较近的亲缘关系,因缺乏特效药和疫苗,针对新型冠状病毒的药物靶点科研攻关及新药研发迫在眉睫。

新型冠状病毒非常“狡猾”,在入侵细胞后,会立即利用细胞内的物质合成自身复制必需的两条超长复制酶多肽(pp1a和pp1ab)。这两条复制酶多肽需要被剪切成多个零件(如RNA依赖的RNA聚合酶、解旋酶等等);这些零件进一步组装成一台庞大的复制转录机器,然后病毒才能启动自身遗传物质的大量复制。两条复制酶多肽的剪切要求异常精确,因此病毒自身编码了一把神奇的“魔剪”——主蛋白酶(Mpro)。这把“魔剪”在复制酶多肽上存在至少11个切割位点,只有当这些位点被正常切割后,这些病毒复制相关的“零件”才能顺利组装成复制转录机器,启动病毒的复制。由于主蛋白酶这把“魔剪”在病毒复制过程中起到至关重要的作用,且人体中并无类似的蛋白质,因此主蛋白酶就成为一个抗新冠病毒的关键药靶。

其实在过去30年间至少出现了30种新发传染病(如SARS、 MERS等),如何能在疫情期间迅速找到具有临床潜力的药物仍然是一个重大挑战。为解决这一难题,攻关“联盟”首先瞄准了“老药”,即成药、临床试验药物以及天然产物;其次攻关“联盟”同时开展了从头设计、计算机虚拟筛选和高通量筛选三种不同的研究策略,三管齐下。

在从头设计的研究策略中,攻关“联盟”发现迈克尔受体N3是一个主蛋白酶的强效抑制剂,率先解析了2.1Å的“主蛋白酶-N3”的高分辨率复合物结构(随后又提高至1.7Å)。这一结构是世界上第一个被解析的新冠病毒蛋白质的三维空间结构。

此后,攻关“联盟”继续联合利用虚拟筛选和高通量筛选策略相结合的方式,对10000多个老药、临床药物以及天然活性产物进行筛选,发现了数种对主蛋白酶有显著抑制作用的先导药物,其中包括双硫仑(disulfiram)、卡莫氟(carmofur)、依布硒(ebselen)、紫草素(shikonin)、Tideglusib和PX-12等。后续的抗新冠病毒实验显示,依布硒和N3均能在细胞水平显著抑制新冠病毒的复制。值得一提的是,依布硒已用于治疗听力障碍等多种疾病的临床试验(完成临床二期),并具有很好的安全性表现。上述研究成果,为迅速开发具有临床潜力的抗新冠肺炎的药物奠定了重要基础。

为方便相关的科技工作者第一时间开发以该酶为靶点的抗病毒药物,攻关“联盟”第一时间公开了研究成果,并在PDB蛋白质结构数据库(Protein Data Bank, PDB)公开了结构的坐标。自1月26日起,团队已为国内外300多家高校、研究机构及企业的实验室直接提供了数据。该结构被PDB蛋白质结构数据库选为2020年2月的明星分子(February Molecule of the Month),并被PDB撰文报道。


上海科技大学、清华大学联合培养博士研究生靳振明、杜小宇为论文并列第一作者,上海药物所许叶春研究员、军事科学院军事医学研究院邓永强副研究员、武汉病毒所博士研究生刘美琴为论文的并列第一作者,上海药物所研究员兼上海科技大学免疫化学研究所特聘教授蒋华良院士、清华大学教授兼上海科技大学免疫化学研究所特聘教授饶子和院士、上海科技大学免疫化学研究所课题组长杨海涛研究员(兼生命科学与技术学院副教授)为共同通讯作者。上海科技大学为第一完成单位。“抗新冠病毒攻关联盟”由上海科技大学-清华大学饶子和/杨海涛团队、中科院上海药物所蒋华良团队、军事科学院军事医学研究院秦成峰团队以及中科院武汉病毒所石正丽团队、肖庚富团队等组成。国家蛋白质科学中心(上海)主任兼上海科技大学生命科学与技术学院教授许文青、澳大利亚昆士兰大学的Luke W. Guddat教授参与了此项研究。

攻关“联盟”中的饶子和院士研究团队自从2003年SARS暴发以来,在17年间一直致力于冠状病毒关键药靶的研究及抗病毒新药的研发。研究团队在SARS暴发期间,就曾在世界上解析了首个SARS病毒蛋白质(主要蛋白酶)的三维空间结构,为抗SARS药物的研发提供了关键结构依据;随后研究团队又设计和开发出首个抑制所有冠状病毒的广谱抑制剂。这些前期的研究都为本研究的顺利开展奠定了基础。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2223-y


【团队核心成员介绍】

饶子和,中国科学院院士,上海科技大学特聘教授、免疫化学研究所蛋白质机器与新药实验室课题组长。饶子和院士长期从事新发、再发传染性疾病病原体的三维结构与功能研究,以及相应靶向创新药物的开发。工作涉及病毒、结核分枝杆菌等威胁人类健康的重要病原体的结构与功能以及创新药物研究。截至目前,饶子和院士团队已先后在国际学术期刊上发表研究论文360余篇,其中17篇研究成果发表在CellNatureScience等三大国际顶级学术期刊,合计获引用逾16000次。


杨海涛,上海科技大学免疫化学研究所研究员、课题组长(PI)/生命科学与技术学院常任(tenure track)副教授。现担任国家重点研发计划重点专项总体专家组成员、法国国家科研署和波兰国家科学基金外审专家、国家“重大新药创制”科技重大专项评审专家、“973”计划青年项目首席科学家,获得了树兰医学青年奖、中国产学研合作促进奖、中国侨界贡献奖及科学中国人年度人物等荣誉,在CellPNASPLoS Biology等期刊发表了多篇原创性论文。


蒋华良,中国科学院院士,中国科学院上海药物研究所研究员、上海科技大学特聘教授、免疫化学研究所化学生物学实验室课题组长。主要从事药物科学基础研究和新药发现。系统发展了药物作用靶标发现和药物设计理论计算新方法,设计高效探针分子,深入阐明和确证了一系列新靶标的作用机制和药理功能。针对肺动脉高压、精神分裂症和阿尔茨海默症等国内目前尚无自主知识产权新药的重大疾病,与他人合作进行新药开发研究,数个候选新药进入临床研究或获得临床批件,并实现技术转化。迄今在国际学刊上发表论文460余篇,其中通讯或共同通讯作者论文200余篇,论著被他引2万余次。申请专利160项,获授权70余项(其中国际专利16项)。