典型传染病的始作俑者——五大病毒及其靶向药物

 

编者荐语:

​曾由冠状病毒引起的传染病例,让我们记忆犹新,如 2012 年中东地区的MERS,2003 年 SARS-CoV 非典型肺炎。此时,美国也正在遭受病毒肆虐……病毒到底是什么?伊诺凯供应商伙伴MCE为你揭秘侵扰人类的五大病毒及其相关靶向药物研究成果。

以下文章来源于MCE抑制剂

 

 

 

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图片来源:WHO

       追其根源,绝大多数的人类传染病都是由病毒引起的,它们可侵犯不同组织器官,感染细胞引起疾病,如 HIV, 流感 (Influenza Virus), HCV, HBV 以及 SARS-CoV-2 等。目前,针对大部分传染病的主要治疗手段为接种疫苗和药物治疗,前者研制周期较长,而小分子药物生产迅速、产量大、性质稳定。因此抗病毒小分子药物治疗仍然是当前最有效的手段

 

       病毒到底是什么?针对上述的病毒感染,又有哪些抑制剂呢?

病毒可以说是最佛系的微生物了,佛系到只留下了最基本的繁殖能力,以至于不能独立营生,必须依靠宿主细胞进行代谢、复制。病毒的这种 “非法” 行为可以说完美地诠释了什么叫做 “他山之石,可以攻玉”。

最简单的病毒体由两个基本成分组成:核酸 (单链或双链 RNA 或 DNA) 和蛋白质外壳,衣壳。当然,有些病毒还有额外的辅助结构,称为包膜。有包膜的病毒通常表现出糖蛋白刺突或瘤状边缘,也称为包膜突起 (Peplomers)。例如新型冠状病毒 (SARS-CoV-2),其包膜突起的形状像皇冠,于是这类病毒被称为冠状病毒。

        病毒不仅形态各异,而且复制方式复杂,可分为 RNA 病毒,DNA 病毒和逆转录病毒。RNA 病毒根据基因组又可进一步分为双链 RNA 病毒,正义单链 RNA 病毒,反义单链 RNA 病毒,单链 RNA 逆转录病毒。DNA 病毒根据基因组又可分为双链DNA 病毒,单链 DNA 病毒,双链 DNA 逆转录病毒。

当笔者写到这里的时候,都不禁感叹,连复制方式都这样花样百出,你们才是地球真正的主人!

新冠状病毒 (SARS-CoV-2)

     SARS-CoV-2 属于冠状病毒科 β 属,是具有包膜的正义单链 RNA 病毒。SARS-CoV-2 基因组编码非结构蛋白,结构蛋白和辅助蛋白。非结构蛋白包括 3-胰凝乳蛋白酶样蛋白酶 (3CLpro),木瓜蛋白酶样蛋白酶 (PLpro)、解旋酶 (Helicase)、和 RNA 依赖性 RNA 聚合酶 (RDRP) 等,结构蛋白包括刺突糖蛋白 (Spike Glycoprotein) 等。

以上五种蛋白都被认为是可开发的抗病毒药物靶标 (表 1),如 SARS-CoV-2 通过刺突蛋白 (Spike Glycoprotein, S 蛋白; PDB ID: 6VSB) 靶向受体人血管紧张素转换酶 2 (ACE2) 进入细胞。据此,MCE 针对病毒 S 蛋白 (PDB ID: 6VSB) 以及 ACE2 结构,用 MCE 老药新用化合物库进行了虚拟筛选 (详细信息请参见:抗 COVID-19 化合物库更新啦!)

而在这次疫情中使用的抗 HIV 药物洛匹那韦 (Lopinavir) 和利托那韦 (Ritonavir),最早是用来抑制 HIV 蛋白酶的。这两种抑制剂在 2003 年用于治疗 SARS-CoV 引起的非典型肺炎有明显疗效,由于它们可结合 SARS-CoV 3CLpro 的活性位点,而 SARS-CoV-2 与 SARS-CoV 高度同源,所以也被应用于治疗 SARS-CoV-2。

   同时,饶子和/杨海涛团队迅速响应,解析了 SARS-CoV-2 3CLpro 蛋白的高分辨率晶体结构 (PDB ID: 6LU7)。同样,MCE 也针对 3CLpro 蛋白进行高通量计算机虚拟筛选 (详细信息请参见:抗 COVID-19 化合物库更新啦!),筛选结果除了上述已在使用的洛匹那韦、利托那韦外,抗 HIV 药物沙奎那韦 (Saquinavir)、蛋白酶抑制剂卡非佐米 (Carfilzomib) 均在列。同时,也筛选出一些报道较少的分值较高的化合物,比如奈非那韦 (Nelfinavir)、Adaptavir。其中,Zhijian Xu 等人通过分子对接和结合自由能计算等方法,认为 Nelfinavir 可与 3CLpro 结合,是 SARS-CoV-2 3CLpro 的潜在抑制剂。除此之外,广谱抗病毒药物 Remdesivir (一种腺苷类似物,可整合到新生的病毒RNA链中并导致过早终止),和 Chloroquine (广泛使用的抗疟疾和自身免疫性疾病药物) 在体外 SARS-CoV-2 感染研究中,表现出较好的治疗效果。Remdesivir 目前进入临床 III 期的研究中。

表 1

 

       人类免疫缺陷病毒 (HIV)人类免疫缺陷病毒 HIV 可谓恶名昭著,而获得性免疫缺陷综合症 (AIDS) 就是高度易变的 HIV 长期感染的结果。

HIV 的基因组由两条相同的单链 RNA 分子组成。像其他所有病毒一样,HIV 必须进入易感细胞才能复制。而 HIV 进入宿主细胞是个复杂的过程,简单地说,就是由 gp120 和 gp41 亚基组成的 HIV 病毒包膜 (Env) 首先与宿主细胞结合,并结合 CD4。这会引起 Env 的构象变化,从而导致共受体结合,这部分由 Env 的 Variable Loop 3 介导。当 gp41 的融合肽插入目标膜后,将启动膜融合过程,然后形成六螺旋束 (6HB) 并完成膜融合。

病毒和细胞膜融合后,病毒衣壳核心分解,病毒核酸与病毒体蛋白结合进入细胞质。在病毒 RNA 和病毒粒子蛋白的复合物 (逆转录复合物) 中,逆转录酶催化互补 DNA 的合成。所得的含有病毒 cDNA 的复合物 (预整合复合物) 被转运至宿主细胞核,在此,病毒整合酶催化病毒 cDNA 在宿主细胞 DNA 内整合形成原病毒。传播过程的每一步,都可提供潜在的治疗策略来阻止这种进展 (表 2)。

 

 

表 2 

 

流感病毒 (Influenza Virus)

流感病毒属于负链单链 RNA 病毒,包膜上存在许多放射状突起的糖蛋白,分别是红细胞血凝素 ( Hemagglutinin, HA) 、神经氨酸酶 (Neuraminidase, NA) 和基质蛋白 M1、M2,另外还有聚合酶蛋白 (PB1, PB2 和 PA) 、非结构蛋白 1 和 2 (Non-structural proteins, NS1 和NS2/NEP) 、核蛋白 (Nucleoprotein, NP) 和基质蛋白(Matrixprotein, MP)。根据 NP 和 MP 抗原性差异,可将流感病毒分为甲、乙、丙型。其中甲型流感病毒根据其血凝素 (HA) 和神经氨酸酶 (NA) 性质,按亚型分类,共有 18 种 HA 亚型和 11 种 NA 亚型。子类型通过组合 H 和 N 编号命名,例如 H1N1、H3N2 等。

         目前的抗流感病毒药物,均是根据上述的靶点设计 (表 3)。

表 3


       丙型肝炎病毒 (HCV)丙型肝炎病毒 (HCV) 是一种单链 RNA 病毒,可能会导致肝硬化和肝细胞癌,其天然靶点是肝细胞,可能还有 B 淋巴细胞。HCV 的复制是通过缺少“校对”功能的依赖于 RNA 的 RNA 聚合酶发生的,因此受感染者体内 HCV 病毒进化迅速,在免疫介导 HCV 控制方面带来了重大挑战。

HCV 的生命周期始于病毒颗粒附着肝细胞上的特异受体 (scavenger receptor class B type I、CD81、claudin-1 和 occludin),接着网格蛋白介导的内吞作用,然后在病毒膜和内体膜之间融合,病毒脱壳以释放其基因组 RNA。HCV 基因组 RNA 用于胞质中的多蛋白翻译 (结构蛋白 E1,E2,核心蛋白和非结构蛋白 p7,NS2,NS3,NS4A,NS4B,NS5A,NS5B) 和复制。

HCV 复制是由非结构蛋白 RNA 依赖性 RNA 聚合酶 NS5B 蛋白催化的,而其他病毒非结构蛋白如 NS3,NS4B,NS5A 也很重要。许多细胞因子也参与了丙型肝炎病毒的复制,如亲环素 A (cyclophilin A),microRNA-22 等,可针对其中一些细胞因子开发抑制剂。另外,极低密度脂蛋白合成/分泌机制参与了感染性 HCV 颗粒的产生。

同样,HCV 生命周期中的多个步骤为直接作用抗病毒药 (DAA) 提供了目标 (表 4)。

表 4


乙型肝炎病毒 (HBV)

HBV 是小包膜 DNA 肝炎病毒家族的原型成员,具有与逆转录病毒相似的异常特征。HBV 是肝病和肝癌的常见病因。

由于 HBV  建立和维持了一个共价闭合的环状 DNA (cccDNA),因此它在肝细胞中持续存在。cccDNA 用作病毒 RNA 合成的主要模板,包括前基因组 RNA (pgRNA),随后通过 HBV 聚合酶介导的逆转录步骤在核衣壳内部进行转化,成为松弛环状 DNA (rcDNA)。不同的病毒颗粒和抗原在受感染患者的血液中循环,包括 HBe 抗原 (HBeAg),Dane 颗粒 (感染性颗粒或病毒体),球和杆状颗粒 (空包膜颗粒),这三者是分泌的 HBs 抗原 (HBsAg) 池。

HBV 生命周期的步骤也为抗病毒药提供了目标 (表 5)。

表 5

由病毒引起的传染病造成了许多的死亡,一代又一代的 “逆行英雄”,与疫情对抗,尽全力拯救生命。笔者想用加缪《鼠疫》中的一句话作为结尾:对未来的真正慷慨,是把一切献给现在。

 

 

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