2020年4月12日/医麦客新闻 eMedClub News/--目前新冠肺炎应对措施的开发主要集中在药物和疫苗两方面，面对疫情的全球蔓延，这些研发工作时间紧迫，但也都逐步取得了较大进展。疫苗方面国内外都已经在开展临床试验。而对于新冠肺炎病人的治疗，目前依然没有特效药，这也是个科研攻关团队迫切需要解决的问题。
日前，上海科技大学团队及其合作团队先后在国际权威学术刊物Nature和Science上发表了新冠病毒重要研究成果，进一步推进了新冠肺炎药物开发的进程。
解析新冠病毒主蛋白酶三维结构，发现潜在药物
4月9日，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”在该期刊上以“Structure of Mpro from COVID-19 virus and discovery of its inhibitors”为题联合发表了新冠病毒的重要研究成果。该研究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潜在药物。 “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教授参与了研究。
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。
昆士兰大学的Guddat教授说：”此项目针对的是主要的新冠病毒酶，即主要蛋白酶（Mpro），它在介导病毒复制中起着关键作用，这使得它成为这种病毒的一个有吸引力的药物靶标，由于人们天生就没有这种酶，针对它的化合物可能具有低毒性。”
而面对此次突发疫情，虽然有以往对抗SARS、 MERS等传染病的经验，但新冠病毒也具有其独特性，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，结合这一研究，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”通过计算机辅助设计（ CADD）设计了Michael受体抑制剂N3，并发现它是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。
▲（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（图片来源：natrure)
之后，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，确定了6种 对主蛋白酶有显著抑制作用的先导药物，其中戒酒药双硫仑（disulfiram）和抗肿瘤药卡莫氟（carmofur）为FDA批准药物，而依布硒（ebselen）、紫草醌（shikonin）、tideglusib、PX-12临床试验阶段药物。
后续的抗新冠病毒实验显示，6种先导药物中，依布硒的Mpro蛋白酶抑制效果最强，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。
Guddat教授也表示：“已经在药物管线研发过程中的化合物是首选，因为它们可以作为抗病毒药物进行进一步测试，而且速度比新先导药物更快，因为新先导药物必须从头开始。我们特别关注的是几个已经经过临床试验的先导药物，其中包括预防和治疗各种疾病的，如心血管疾病、关节炎、中风、动脉粥样硬化和癌症。”
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。
“现在我们和全球科学家同行来充分利用这一突破。通过持续和大规模的努力，我们乐观地认为，在不久的将来，新的候选药物可以进入COVID-19药物研发管线。”Guddat教授说。
解析新冠病毒RNA聚合酶复合体的三维精细结构
4月10日，由饶子和院士/娄智勇教授/王权教授等组成的上海科技大学-清华大学抗新冠病毒联合攻关团队”在Science杂志发表研究论文，率先在国际上成功解析了新冠病毒转录复制机器核心单元“RdRp（RNA依赖的RNA聚合酶）与辅助因子nsp7和nsp8复合物”近原子分辨率（2.9 埃（Å））的三维空间结构。对于解析高分辨率的病毒RdRp来说，这是一个重要的突破；而此次聚合酶结构的解析也为药物筛选提供了重要的结构依据。
RNA依赖RNA聚合酶（RdRp）又称第12号非结构蛋白（nsp12），在病毒内催化病毒RNA的合成，它是冠状病毒复制的核心组成部分，同时也是抗病毒药物例如瑞德西韦、法匹拉韦的主要靶点。对新冠病毒遗传物质转录复制机器核心单元结构特征的揭示，为开发针对新冠肺炎的药物奠定了重要基础。
具体来说，新型冠状病毒在入侵宿主细胞后，便开始大量复制，这其中又以遗传物质RNA基因组的转录和复制两个过程为核心。遗传物质的转录将最终经过翻译形成新生病毒的结构组成蛋白质，而其复制将形成新生病毒的RNA基因组。RdRp能够与其他多个非结构蛋白质组装形成一台高效的RNA合成“机器”，完成这两大过程。
RNA聚合酶作为这台转录复制机器的核心部件，是最重要的抗病毒药物靶标之一，破坏其功能预期将能够阻止病毒的复制，最终达到治疗的目的。而尽管新冠病毒的nsp12-nsp7-nsp8复合物的总体结构与SARS-CoV的大体相似，但也有一些关键特征可以区分它们。
研究解析的复合物结构显示，新型冠状病毒的RNA聚合酶具有其它病毒RNA聚合酶的保守特征，并含有套式病毒（Nidovirus）的NiRAN（Nidovirus RdRp-associated nucleotidyltransferase）特征结构域；同时病毒RNA聚合酶与病毒的非结构蛋白nsp7和nsp8组成了转录复制机器的核心单元。
令人兴奋的是，研究人员还首次在新型冠状病毒的RNA聚合酶的N端发现了一个独特的“N-末端β-发夹”结构域，这一结构域的发现为阐明新型冠状病毒RNA聚合酶的生物学功能提供了新的线索。
▲（a）新冠病毒聚合酶的功能结构域的组成（b）新冠病毒nsp12-nsp7-nsp8复合体的结构形态（图片来源于：Science）
新冠病毒的聚合酶nsp12是一个很好的药物靶点，特别是考虑到能与一些已有的核苷酸类似物进行结合。目前备受瞩目的广谱抗病毒药物法匹拉韦（Favipiravir）和仍处于临床研究阶段的瑞德西韦，预期即是进入人体后，通过代谢修饰，形成最终效应分子并靶向病毒RNA聚合酶发挥药效的。目前二者已经双双进入抗击新型冠状病毒的临床试验。
研究团队通过对该原子分辨率结构的深入分析，发现了新型冠状病毒RNA聚合酶行使功能的关键氨基酸残基，并通过与“丙型肝炎病毒聚合酶ns5b-索非布韦（Sofosbuvir）效应分子”复合物结构进行比对，提出了瑞德西韦和法匹拉韦的效应分子（即代谢后的最终产物）抑制新型冠状病毒RNA聚合酶的可能作用模式。本研究的作者预测了瑞德西韦三磷酸形式与复制酶复合物的潜在结合方式，为解释药物小分子和聚合酶药物靶点提供了结构基础。
本研究首次精细描绘出了新型冠状病毒“RdRp-nsp7-nsp8”转录复制机器的内部构造，并为瑞德西韦和法匹拉韦等候选药物的效应分子如何精确靶向抑制病毒RNA合成进而发挥药效活性提出了合理的机制解释，这为深入研究新型冠状病毒复制的分子机理奠定了重要的理论基础，并为开发抗新冠肺炎的特效药开辟了新途径。
结语
在没有特效药的情况下，针对新型冠状病毒的药物靶点的研究，以及对此类靶向药物的研发和药效机制的验证至关重要，迫在眉睫！我们期待众多的研究能拼成一幅完整的拼图，早日为新冠肺炎开发出突破性的治疗药物。
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
上海科技大学免疫化学研究所
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