2021年11月5日，輝瑞宣布其新冠口服藥物Paxlovid減少新冠肺炎非住院患者的住院或死亡率高達89%，展現出驚人療效，顯著優于已上市的默沙東Molnupiravir。受該消息影響，輝瑞股價盤前大漲10%，市值增加250億美元⁽¹⁾。

近日，晶蛋生物科學團隊在預印本《Biorxiv》上發表了題為”Structural basis of main proteases of coronavirus bound to drug candidate PF-07321332”文章，報道了與新冠口服藥物Paxlovid主要成分PF-07321332結合三種不同冠狀病毒（SARS-CoV-2，SARS-CoV 和MERS-CoV）主蛋白酶（Mpro或3CLpro）的三種晶體結構，揭示了在SARS-CoV-2、SARS-CoV和MERS-CoV中保守的藥物結合位點，這些結構將極大加速科學家研發出療效更好和更加安全的新冠口服藥物⁽²⁾。

 

 

 

 

 

 

  

新冠疫情期間，基于成熟的結構生物學和基于結構的藥物設計平臺，晶蛋生物團隊從零開始展現出強大的執行力，針對新冠病毒藥物研發做出系列重要工作，在《Science Bulletin》,《Journal of Virology》和《SCIENCE CHINA Life Science》發表中藥活性成分紫草素和納米抗體的廣譜抗冠狀病毒作用，同時這些候選藥物對于新冠變異毒株也有顯著的抑制作用^（3-5）。

圖1 Biorxiv 預印本發表晶蛋生物團隊成果

研究發現PF-07321332對SARS-CoV-2的主蛋白酶具有強抑制作用，IC50值為0.023μM（圖1），同時對于SARS-CoV和MERS-CoV的主蛋白酶有廣譜的抑制效果。為了進一步探索PF-07321332的分子機制，團隊解析了 SARS-CoV-2主蛋白酶與PF-07321332 (PFMpro-Co) 復合物的晶體結構（如下圖2，分辨率為 1.5 ?）。研究發現主蛋白酶域I和II之間裂隙中的狹長空腔具有多個抑制劑結合位點，其中PF-07321332占據亞位點S1、S2和S4，除了典型的共價相互作用外，PF-07321332還與活性位點形成多種非共價相互作用。與其他抑制劑相比，其抑制性更強，進一步解釋了輝瑞Paxlovid的治療效果優于其它抑制劑的原因。

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圖2 SARS-CoV-2 Mpro與PF-07321332

的復合物晶體結構

另外，我們還分別以 2.0 ? 和 2.5 ? 分辨率測定了 PF-07321332與 SARS-CoV 和 MERS-CoV Mpro復合物的晶體結構。PF-07321332和SARS-CoV，MERS-CoV的底物結合位點與其和SARS-CoV-2 Mpro的底物結合位點具有高度相似的構象（圖 3a 和 3b）。與SARS-CoV-2 Mpro 的情況一樣，PF-07321332與S1、S2 和S4亞位點結合，并與催化殘基半胱氨酸形成共價鍵（圖 3c 和 3d）。此外，蛋白酶中的幾個氨基酸殘基，包括 F140、C145、H163、H164、E166 和 Q192，與 SARS-CoV Mpro-PF-07321332 復合物中的抑制劑形成氫鍵相互作用。MERS-CoV Mpro與PF-07321332相互作用的關鍵殘基是高度保守的（圖 3e-3h）。這些觀察結果與冠狀病毒中Mpro結構高度保守的事實一致，因此，我們分析PF-07321332可能是一種具有廣譜的、有效的抗冠狀病毒抑制劑，可以戰勝各種冠狀病毒引起的疾病。

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圖3 SARS-CoV和MERS-CoV Mpro與PF-07321332復合物的晶體結構

 

 

 

 

 

 

本次研究，我們還對PF-07321332、以及其他共價抑制劑與 SARS CoV-2 Mpro復合物的進行結構比較分析（如下圖4）。除了carmofur和boceprevir外，所有這些小分子與催化殘基半胱氨酸形成C-S共價鍵（圖 4），并在 P1 位置形成內酰胺環，與S1亞位點非常吻合。SARS-CoV-2 Mpro 的亞位點S2似乎更喜歡疏水相互作用，所有這些抑制劑都在P2位形成疏水基團，例如異丙基和二甲基環丙基脯氨酸 (DMCP) 基團。然而，這些抑制劑的P3與S3口袋不匹配。PF-07321332的結合模式與boceprevir在P4位的結合模式相似，但在F原子取代和與Q192形成氫鍵方面有所不同^（6-8）。

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圖4 針對SARS-CoV Mpro不同抑制劑的

結合模式比較

本研究中報道的與主蛋白酶復合物的抑制劑的結構或將為開發和優化更有效的抗 SARS-CoV-2感染藥物提供結構基礎，基于結構對此類抑制劑的優化或將有助于生成高效、廣譜的針對當前COVID-19大流行的藥物。

 

 

新冠疫情爆發以來，晶蛋生物積極投身于新冠肺炎藥物相關研發。早前，晶蛋生物團隊在《Science Bulletin》,《Journal of Virology》和《SCIENCE CHINA Life Science》發表了中藥活性成分紫草素廣譜抑制冠狀病毒的相關成果，全球首次報道了SARS CoV-2主蛋白酶與紫草素復合物晶體結構，揭示中藥活性成分紫草素抑制新冠病毒主蛋白酶的分子機制。目前，我們正針對紫草素進行抗冠狀病毒廣譜藥物開發，通過對冠狀病毒主蛋白酶和輝瑞PF-07321332復合物的晶體結構的深度研究，以及結合目前輝瑞Paxlovid的顯著治療效果和紫草素項目的實驗數據分析，由于紫草素來源于天然中藥，紫草素及其衍生物或將成為能媲美Paxlovid甚至比其更好的抗冠狀病毒藥物，對于抗擊未來的冠狀肺炎疫情具有重要的意義。

圖5 紫草素和SARS-CoV-2主蛋白酶的復合物晶體結構

參考文獻：

1.BBC News - Covid: Pfizer says antiviral pill 89% effective in high risk cases https://www.bbc.co.uk/news/health-59178291.

2. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.11.05.467529v1.

3. Li, J., et al., Crystal structure of SARS-CoV-2 main protease in complex with the natural product inhibitor shikonin illuminates a unique binding mode. Sci Bull (Beijing), 2021. 66(7): p. 661-663.

4. Zhang, Y., et al., Structure-based discovery and structural basis of a novel broad-spectrum natural product against main protease of coronavirus. J Virol, 2021: p. Jvi0125321.

5. Zhou, X., et al., Structure of SARS-CoV-2 main protease in the apo state. Sci China Life Sci, 2020: p. 1-4.

6. Dai, W., et al., Structure-based design of antiviral drug candidates targeting the SARS-CoV-2 main protease. Science, 2020.

7. Jin, Z., et al., Structure of M(pro) from COVID-19 virus and discovery of its inhibitors. Nature, 2020.

8. Zhang, L., et al., α-Ketoamides as Broad-Spectrum Inhibitors of Coronavirus and Enterovirus Replication: Structure-Based Design, Synthesis, and Activity Assessment. J Med Chem, 2020. 63(9): p. 4562-4578.