南開新聞網訊（記者 吳軍輝）近日，經過持續科研攻關，南開大學藥學院、藥物化學生物學國家重點實驗室尚魯慶副教授課題組揭示了冠狀病毒主蛋白酶的催化機制，討論了冠狀病毒MERS-CoV與SARS-CoV主蛋白酶在催化過程中的區別，進而優化了主蛋白酶抑制劑的生物活性。該工作為未來應對冠狀病毒的變異奠定了研究基礎，旨在助力抗新型冠狀病毒藥物的研發。介紹該成果的論文發表在美國化學會期刊《ACS Catalysis》上。
冠狀病毒是一類形似日冕狀的RNA病毒，是已知RNA病毒中具有最大基因組的病毒。自1965年首次分離出人類致病的冠狀病毒以來，已有7種冠狀病毒被發現可以導致人類產生疾病。其中，有4種冠狀病毒HCoV-229E、HCoV-NL63、HCoV-HKU1、HCoV-OC43可以導致人類出現輕度呼吸系統疾病，這些疾病在臨床上佔呼吸道感染疾病的10%-30%。其餘的三種冠狀病毒SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2（新型冠狀病毒）作為高致病性冠狀病毒，其致死率高達10%-30%。特別是新型冠狀病毒引起的新冠肺炎（COVID-19），以極快的速度席捲全球，至今已造成多達500萬人感染，超過30萬患者死亡。
針對新冠肺炎尚無臨床特效藥物用以治療，通過研究冠狀病毒關鍵性蛋白的通用機制，對研發抗病毒藥物就變得極為重要。在冠狀病毒的生命活動中，其主蛋白酶（3C樣蛋白酶）能夠有效地剪切病毒的蛋白前體，進而產生病毒的功能性蛋白，這對冠狀病毒的複製等生命活動極為重要。因此，主蛋白酶是抗冠狀病毒藥物研究的重要靶點。
「現階段針對該類蛋白酶的研究，主要集中於其底物的特異性研究和二聚化的研究，然而對其催化機制缺乏系統性地研究，制約了相應抗病毒藥物的發展。因此，揭示冠狀病毒主蛋白酶的催化機制，可以更好地設計和發現主蛋白酶抑制劑，從而加速抗病毒藥物研發。」尚魯慶說。
冠狀病毒主蛋白酶的催化機制研究
尚魯慶課題組在獲得MERS-CoV與SARS-CoV主蛋白酶的晶體結構基礎上，構建酶活分析體系，確定蛋白酶的催化活性中心，隨後展開相應的主體研究。該團隊結合結構生物學、蛋白突變、酶促反應動力學、分子動力學模擬、量化計算等手段，以MERS-CoV和SARS-CoV的主蛋白酶為對象，對其識別階段和酶切階段的催化機制進行了深入研究。在識別階段，該團隊解釋了蛋白酶的S1口袋識別底物高度保守的Gln的原因；在催化階段，該團隊一方面研究底物是如何被蛋白酶所固定，另一方面闡明蛋白酶中存在一個重要的負電中心。為了更好地理解這兩個蛋白酶個體的特性，該團隊利用小分子抑制劑探針，結合結構生物學，酶學等手段探究了MERS-CoV和SARS-CoV主蛋白酶的催化區別。
基於以上對於催化機制的研究，尚魯慶課題組一方面優化了蛋白酶抑制劑的結構，有效地提高了抑制劑的活性，為抗病毒藥物的進一步研究打下了堅實的基礎；另一方面發現了潛在的別構抑制位點，為靶向蛋白酶的抗病毒藥物研發提供了新的思路。
MERS-CoV和SARS-CoV 主蛋白酶催化過程中的區別研究
針對新冠疫情的肆虐，該課題組還將新冠病毒的主蛋白酶與之前報導的冠狀病毒的蛋白酶進行了序列對比和分子疊合，發現所研究的位點均保守地存在於新冠病毒和幾類已知冠狀病毒的主蛋白酶中。「這表明，我們研究揭示的機制可能是冠狀病毒主蛋白酶的通用機制，這為應對目前正在肆虐以及未來新發的冠狀病毒，發展廣譜抗病毒藥物具有重要意義。」尚魯慶說。
SARS-CoV-2、SARS-CoV、MERS-CoV主蛋白酶的序列比對
據了解，南開大學藥學院博士研究生王昊為論文第一作者，尚魯慶副教授、李冬梅副教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、天津市自然科學基金支持。
論文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c00110