新冠奧密克戎等變異毒株在全球肆虐，給全球經濟和社會造成了深刻的影響和變化。新冠病毒的高變異性使得抗體藥物作用有限，全球急需廣譜的新冠特效藥來緩解疫情^（1）。今年3月中上旬，我國引入輝瑞新冠特效藥，每盒價格高達2300元人民幣，參照目前的定價，新冠特效藥市場規模至少超過500億美元。目前，我國有多個新冠小分子特效藥在緊急研發中，但是當前尚無藥物上市。晶蛋生物也正緊鑼密鼓地進行新冠特效藥的研發，化合物展現出了強于輝瑞和鹽野義分子的藥效作用。

近日，晶蛋生物科學團隊在頂尖病毒學期刊《Journal of Virology》上發表了題為”Structural basis of main proteases of coronavirus bound to drug candidate PF-07321332”文章，報道了與輝瑞特效藥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，解密輝瑞新冠特效藥廣譜分子機制，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⁾。

圖1 晶蛋生物團隊在《Journal of Virology》發表的成果

在新冠疫情期間，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）。

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。

圖2 SARS-CoV-2 Mpro與PF-07321332復合物的晶體結構

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。

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）。

圖4 針對SARS-CoV Mpro的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。

關于晶蛋生物

深圳晶蛋生物醫藥科技有限公司成立于2019年8月，致力于慢性腎病、抑郁癥和惡性腫瘤等重大疾病的膜蛋白創新藥物研發，立志成為全球極具創新力和影響力的企業。 核心團隊由哈佛大學、中科院上海藥物所等多所頂尖科研院所和制藥公司的博士組成，在膜蛋白抗原抗體、藥物靶點結構解析、基于結構和人工智能的藥物研發和藥理學等領域的研發能力處于國際一流水平，已完成近億元Pre-A融資。

公司于2020年獲得中國深圳創新創業大賽生物醫藥行業一等獎、2020年“科創中國”先導技術獎、第九屆中國創新創業大賽全國優秀獎、科創中國科技創新創業大賽TOP10和粵港澳大灣區生物科技創新企業50強等獎項。

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.