北京
新型冠状病毒（SARS-CoV-2）利用其包膜上的三聚体刺突（spike）蛋白与宿主细胞ACE2受体结合以介导病毒的入侵。由于在感染过程中的重要作用，spike蛋白是疫苗和抗体药物研发的主要靶标。尽管国内外已有针对spike蛋白的批准或紧急使用授权的疫苗、抗体药物用于临床，但随着变异株的不断出现及流行，尤其是spike蛋白成为突变热点，对疫苗的保护率和抗体药物的治疗效果提出了严峻的挑战。相比抗体药物而言，小分子药物具有对突变不敏感、可口服给药、生产运输成本低等潜力，是一种有前景的新冠病毒治疗方案。目前没有针对spike蛋白的小分子候选化合物进入临床研究，多角度开发新冠病毒的新型预防和治疗药物仍刻不容缓。
2023年2月8日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院黄牛课题组与多家单位合作，在美国化学会旗舰杂志ACS Central Science杂志上发表题为“In Silico Discovery of Small Molecule Modulators Targeting the Achilles' Heel of SARS-CoV-2 Spike Protein”的文章。该研究针对SARS-CoV-2 spike蛋白保守的游离脂肪酸（free fatty acid, FFA）结合位点，通过大规模虚拟筛选策略发现苗头化合物并随后对其进行优化，得到一系列低摩尔级别结合活性的小分子化合物。随后冷冻电镜研究确定了小分子在FFA结合位点的结合模式，并且揭示了小分子的结合使spike蛋白的构象平衡向“闭合”状态方向转变，即无法与ACE2受体结合的构象状态。该研究在一定程度上表明针对保守的FFA结合位点发现的小分子调节剂有望开发成为预防和治疗冠状病毒的广谱药物，并且联合其他作用机制的药物如3CL蛋白酶抑制剂等，达到鸡尾酒疗法的效果。
开发spike蛋白的小分子构象调节剂，难以通过建立高通量实验筛选方法进行，因此基于结构的虚拟筛选方法成为寻找FFA结合位点小分子配体的一把利器。研究团队针对FFA结合口袋，利用逐级虚拟筛选技术，先对北生所内部的化合物库（32余万分子）进行分子对接，接着对打分排名前6万的化合物做更高计算精度的基于MM-GB/SA方法的优化及重打分，随后系统分析打分排名前1000的化合物结合模式，最终挑取了54个化合物做SPR实验验证。结果表明，6个化合物显示微摩尔级别的结合活性。为了提高化合物的活性及溶解性，在经过可合成性评估后，研究团队合成了SPC-2的含羧基基团的类似物，得到结合活性为4.8微摩尔的化合物。并且，这类化合物对奥密克戎BA.4（spike蛋白包含R408S突变）也表现出类似结合活性，表明化合物的结合不受R408突变的影响。此结果表明用小分子调控保守的FFA结合口袋，针对易突变的新冠病毒具有一定的优势。
为了确定化合物的结合模式及其对spike蛋白构象偏好的影响，研究团队将纯化的spike蛋白与含羧基化合物SPC-14（KD = 9.5 μM）一起孵育制备冷冻电镜样品，并以单独的spike蛋白体系作为空白对照。电镜结果表明，对于有SPC-14加入的体系，约48%的粒子处于“关闭”状态，另外52%处于有一个RBD向上的“开放”状态。而对于apo spike体系，几乎100% 都处于一个RBD向上的“开放”状态，这表明SPC-14的加入会影响spike蛋白的构象偏好。同时，在“关闭”状态的spike+SPC-14体系中发现了多余的电子云密度，此密度正好位于FFA结合位点并且SPC-14的分子结构能够很好的与其契合。
综上，在传统实验筛选方法很难解决的情况下，本研究首次利用基于结构的虚拟筛选手段发现并且实验验证了一系列对spike蛋白有结合活性的小分子，为后续药物的开发提供了理论基础。
黄牛实验室的博士研究生王情与水木未来的孟繁昊为本文共同第一作者，黄牛博士与天津大学的黄剑辉教授为通讯作者。其他作者包括黄牛实验室的谢钰婷和刘涛，郑三多博士与其实验室的王巍博士，水木未来的倪晓丹博士，以及中国科学院微生物研究所的齐建勋博士及其实验室的孟玉敏，李霖杰。该研究由北京市科委（生命科学前沿创新培育项目）和清华大学共同资助。
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