医学信息学解锁19（2020）100345抗SARS-CoV-2病毒化合物的分子对接和动力学模拟K. Abraham Peele a，Zurrasai Potla Durthi b，T. Srihansa，S.Krupanidhi a，Vijaya Sai Ayyagari a，D. John Babu a，M. Indira a，A.Ranganadha Reddy a，T.C. Venkateswarulua，*aVignan科学技术研究基金会生物技术部&b印度Telangana，Warangal，506004，国家技术学院生物技术系A R T I C L EI N FO保留字：抗疟疾药物抗病毒化合物模拟冠状病毒A B S T R A C T本研究的目的是开发一种合适的抗SARS-CoV-2病毒的抗病毒药物。一个立即合格的战略将是使用现有的强大的药物从各种病毒治疗。虚拟筛选抗病毒数据库以获得可能的治疗效果的策略将是识别有前景的药物分子，因为目前没有针对COVID-19的疫苗或治疗方法获得批准。靶向主要蛋白酶（PDB id：6LU7）在抗CoV药物设计中越来越重要。在此概念背景下，已尝试提出US-FDA批准的药物、植物源性天然药物和冠状病毒主要蛋白酶（6LU7）蛋白之间的计算机根据Glide（Schrodinger）dock评分对结果进行评价。在62种筛选的化合物中，发现与靶标的最佳对接分数为化合物：洛匹那韦、阿莫地喹和茶黄素二没食子酸酯（TFDG）。还进行了20 ns的分子动力学（MD）模拟研究，以确认主要蛋白酶和抑制剂复合物的稳定性行为。MD模拟研究验证了三种化合物在蛋白质结合口袋中作为有效结合剂的稳定性。1. 介绍冠状病毒（CoV）是冠状病毒科的一个属，以其表面上发现的冠状刺突命名。它们是一个庞大的病毒家族，包含由长RNA链组成的基因组，这是所有RNA病毒中最大的，当它感染细胞时，这个基因组就像信使RNA一样，指导两个长多蛋白的合成，其中包括病毒复制新病毒所病毒已从人气道上皮细胞中分离出一种来自Sarbecovirus亚属的新型β冠状病毒[1蛋白酶抑制剂可能会阻断一种帮助病毒复制并预防SARS（也是一种冠状病毒）的关键酶[4]。 有一些信息-关于医生使用艾滋病毒药物治疗COVID-19患者的信息，但没有确切的阳性结果。抗疟疾药物也进行了测试，但几乎没有证据表明有效。如果病毒攻击免疫功能低下的患者，他们将处于危险之中，并且HIV逆转录病毒和植物产品都没有治疗作用[5]。天然存在的基于植物化学的化合物已显示出几种抗病毒作用，包括其他药理学特性[6]。新型冠状病毒（SARS-COV-2）的基因组编码许多重要的蛋白，用于其在宿主基因组中的复制，即核衣壳蛋白、刺突（S）蛋白、包膜（E）蛋白、膜（M）蛋白和冠状病毒主要蛋白酶，它们在基因表达中起关键作用，并将多聚蛋白切割成复制相关蛋白[7，8]。考虑到这一点，目前的计算机模拟研究旨在评估FDA批准的抗病毒药物和基于植物的抗病毒剂对SARS-COV-2的COVID-19主要蛋白酶病毒蛋白2. 方法2.1. 对接用蛋白质制剂研究选择了COVID-19主要蛋白酶与抑制剂N3复合的基于X射线衍射的晶体结构，其分辨率为2.16 nm，既不含碳水化合物聚合物也不含链断裂[9]。与蛋白质受体分子结合的复合物* 通讯作者。电子邮件地址：venki_biotech327@yahoo.com（T.C.Venkateswarulu）。https://doi.org/10.1016/j.imu.2020.100345接收日期：2020年3月26日;接收日期：2020年5月3日;接受日期：2020年2020年5月11日网上发售2352-9148/© 2020由Elsevier Ltd.发布这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表医学信息学期刊主页：http://www.elsevier.com/locate/imuK.A. Peele等人医学信息学解锁19（2020）1003452þFig.1. a）。主要蛋白酶（6LU7）和b）。使用PYMOL计算RMSD并可视化具有晶体结构6LU7的主要蛋白酶被移除了使用来自Schrodinger模块的蛋白质制备向导Glide使用过滤搜索来定位受体活性位点区域中的配体。受体的形状和性质在网格上表示，该网格提供配体姿势的更准确评分。在共结晶的配体抑制剂分子上产生20 μ m的网格。将对接的复合物叠加到原始晶体结构上，以使用pyMOL计算均方根偏差（RMSD）。2.2. 配体制备从PubMed文献中鉴定了24种具有抗病毒特性的天然植物化合物、22种美国FDA批准的抗病毒药物和16种抗疟疾药物作为针对主要蛋白酶受体的测试配体分子。LigPrep（Schrdinger）用于测试化合物的手性分配，并转换为3D结构（图1a）。使用OPLS_2005力场产生电离和互变异构状态。对于每种配体，产生32种立体异构体2.3. 虚拟筛选使用Glide，图二、a）。洛帕尼韦（抗病毒药物）分子与主要蛋白酶（6LU7）的对接姿势和b）。洛帕尼韦与6LU7的配体相互作用K.A. Peele等人医学信息学解锁19（2020）1003453表1使用GLIDE模块对接US-FDA批准的抗病毒药物的评分表2使用GLIDE对接天然植物分子S.no条目名称/ID对接评分Glideg-score Glide e-model 1洛匹那韦-9.918-9.918-101.59S.号入口名称对接评分滑动评分滑移模型2达芦那韦-8.843-8.972-84.3553安普那韦-8.655-8.784-89.621鲁帕韦-8.342-8.342-94.7385索非布韦-8.324-8.324-83.3781没食子酸茶黄素-10.574-10.722-135.5842生物素-9.058-9.087-97.7263橙皮苷-7.848-7.848-87.4574迷迭香酸-6.971-6.971-73.9146阿德福韦地匹沃Xil-8.252-8.277 -98.82910贝西莫-6.793-6.793-64.8037泛昔洛韦-7.546-7.546-52.5958特考韦瑞-7.546-7.546-52.5959达芦那韦-7.505-8.472-83.86210齐多夫定-7.396-7.396-60.70911多鲁特韦-7.279-7.727-72.2156黄芩苷-6.563-6.57-65.6057石蒜碱-6.522-6.555-54.04910.0000 - 10.0000 - 10.0000 - 10.0000 - 10.00009黄连素-6.429-6.429-53.05710（-）-表没食子儿茶素没食子酸酯-6.142-6.221-72.52412恩替卡韦-7.15-7.292-66.85713比特格韦-7.088-7.463-68.44311橙皮素7-O-新橙皮苷-6.124-6.124-76.97614奥司他韦-7.037-7.049-57.11115恩曲他滨-6.941-6.941-56.09716扎西他滨-6.712-6.712-51.94717去羟肌苷-6.614-6.933-47.27912克立维明-6.109-6.141-66.17613夸钦赛德I-5.845-5.858-70.47214 Cosmosiin-5.717-5.717-65.50815白藜芦醇-5.614-5.614-44.62918 BaloX avirmarboXil-6.304-6.313-60.11916格尼地辛-5.579-5.579-57.88719恩曲他滨-6.21-6.21-46.75320西美匹韦-5.824-5.824-66.91517迷迭香酸30-O-β-D-葡萄糖苷-5.246-5.246-65.57221依巴斯韦-4.966-4.966-51.33222利替美坦-3.671-3.671-49.254Schr odinger的程序。HTVS模式消除了大多数立体异构体，并且只有少数在筛选后通过的异构体经历通过SP和XP对接模式。对主要蛋白酶显示出更好亲和力的配体将是合格的。最后，通过pose viewer分析了2.4. 分子动力学模拟制备了SARS-CoV-2主要蛋白酶和候选分子的蛋白质-配体复合物结构，并利用VMD进行分子动力学模拟。GROMACS-2019版本用于使用OPLS力场进行20 ns模拟。选择TIP3P水模型用于溶剂化络合物，然后添加离子以中和。使用周期性边界条件。以1000 kJ/mol/nm的公差进行能量最小化。使用NVT和NPT系综进行系统的平衡100 ps。轨迹设置为每2fs生成一次，每2ps保存一次然后将蛋白质-配体复合物结果18穿心莲内酯-4.941-4.941-41.12919穿心莲甙-4.647-4.647-54.29420石蒜碱-4.63-6.366-50.16521谷甾醇-4.468-4.468-40.91222豆甾-5-烯-3-醇-4.395-4.395-37.88223桦木醛-4.245-4.245-49.29524穿心莲内酯-3.783-3.783-42.001分析了3. 结果和讨论3.1. 虚拟筛选与分子对接对于每种配体，已通过Lig- Prep模块生成32种构象，并使用Glide模块进一步评价它们以进行虚拟筛选。HTVS模式识别用于筛选的活性化合物，并且筛选具有不同构象的配体并消除假阳性。LigPrep程序产生了FDA批准的抗病毒药物的1129种配体构象、抗疟疾药物的459种配体构象和植物基药物的110种配体构象的结果。每个配体的立体构象显示出与受体的最低能量，图三. a）。基于植物的苯酚、茶黄素二没食子酸酯与主要蛋白酶（6LU7）的对接姿势和b）。基于植物的酚、茶黄素二没食子酸酯与6LU7的配体相互作用。K.A. Peele等人医学信息学解锁19（2020）1003454-------图四、a）。阿莫地喹（抗疟药）分子与主要蛋白酶（6LU7）的对接姿势和b）。阿莫地喹与6LU7的配体相互作用表3抗疟疾分子与主要蛋白酶（6LU7）的对接得分S.no条目名称docking score glidegscore glide emodel 1 Amodiaquine-7. 429 - 8. 023 -76. 8982甲氟喹-6.873-6.876-53.9613奎宁-6.508-6.522-50.5514伯氨喹-6.361-6.361-59.6735卤泛群-6.352-6.354-68.5856苯芴醇-6.202-6.226-62.3087氯喹-6.075-6.111-56.5598喹喹-5.748-6.009-69.174抗疟疾药物和茶黄素双没食子酸酯。因此，从计算机模拟的方法，该研究表明，美国FDA批准的药物洛匹那韦，阿莫地喹和茶黄素二没食子酸酯可以作为有效的药物在体内测试抗SARS-CoV-2（见图2）。5）。3.2. 分子动力学模拟的分子动力学模拟的基础上进行了检查的均方根偏差（RMSD），均方根波动（RMSF），和作为时间的函数的回转值的半径的结构 变化 计算 关于RMSD 蛋白质-配体值9 SulfadoX ine-5.516-5.668-52.974复合物从0到20 ns。RMSD值稳步上升，阿托伐醌-5.493-5.5-47.5911阿替尼醇-5.178-5.178-38.2612阿托伐醌-5.121-5.128-48.14913青蒿琥酯-4.862-4.862-45.2814氯胍-4.842-5.252-38.97815蒿甲醚-4.764-4.764-30.72716喹诺-4.716-6.879-82.308选择在滑翔机的SP（标准精度）模式下进行进一步的对接研究。用配体相互作用可视化稳定对接的洛匹那韦、阿莫地喹和茶黄素二没食子酸酯与主要蛋白酶复合物的蛋白质-配体相互作用。PyMOL叠加的对接复合物相对于对接前的初始结构的较低RMSD值表明我们的复合物是稳定的（图Ib）。洛匹那韦显示出与Glu 166、GLN 189、GLY 143的氢键相互作用和与His 41的pi -pi堆积的相互作用（图2a和b），并且成功对接，最佳对接评分为1.05。9.918，滑翔能8.023， 和滑翔e-模型76.898（表1）。茶黄素二没食子酸酯显示与THR 26、ASB 142、HIS 41、HIS163、GLU 166、GLN 189（图3a和b）对接的氢键相互作用，其中最佳对接得分为135.584（表2）。配体阿莫地喹共有四个氢键与Leu 141、ARG 187的相互作用和与Glu 166的盐桥相互作用，而与His41的π-π堆积（图1B）。图4a和b）的主蛋白酶的活性位点残基和对接复合物取向的对接得分为7.421，滑翔g-得分为8.023和glidee-model 76.898（表3）。LIGPLOT 2D相互作用显示了相互作用的残基信息。对接产生的结果显示，0 ~ 5 ns，并在整个仿真过程中达到稳定状态。阿莫地喹、洛匹那韦和茶黄素没食子酸酯的平均RMSD值分别为0.25、0.23和0.22 nm。RMSF提供了整个模拟中每个原子的波动（图5a，6a和7a&）。计算了306个氨基酸的蛋白酶和3个潜在候选药物的RMSF;这些值证实结合位点残基显示出较小的波动。阿莫地喹、洛匹那韦和没食子酸茶黄素的平均RMSF值分别为0.15、0.17和0.2 nm（图5b、6b和7&b）。的蛋白质和配体复合物的回转半径（Rg）被发现是最初在2.13和2.18 nm之间。主蛋白酶与阿莫地喹的Rg值在5ns后稳定，并且在洛匹那韦和茶黄素二没食子酸酯的情况下，该值最初降低并从5至20ns稳定，这是稳定结合位姿的指示（图5c、6c和7c&）。选择性对接复合物的MD模拟分析证实了蛋白质配体复合物的稳定性。Dayer等人（2017）对HIV-1蛋白酶和抑制剂复合物进行了50 ns MD模拟，他们发现洛匹那韦可能是具有显著结合能值的候选药物[10]。Nukoolkarn等人（2008）进行了2ns MD模拟与主要的蛋白酶和抑制剂复合物（ritronavir和lopinavir），并报告说，配体结合位点的SARS-CoV 3CLpro（主蛋白酶）围绕H41和C145的活性位点[11]。同样，在本研究中，我们发现H41的活性位点与所有三种抑制剂共享K.A. Peele等人医学信息学解锁19（2020）1003455图五. SARS-CoV 20 ns MD模拟期间均方根偏差（RMSD）a、均方根波动（RMSF）b值、回转半径（Rg）c的曲线图- 2 3CL蛋白酶与阿莫地喹的复合物见图6。 SARS-CoV 20 ns MD模拟期间均方根偏差（RMSD）a、均方根波动（RMSF）b值、回转半径（Rg）c的曲线图- 2 3CL蛋白酶与洛帕尼韦的复合物4. 结论申请候选药物的暂定协议，如抗病毒HIV药物洛匹那韦、抗疟疾药物阿莫地喹和植物基酚衍生物茶黄素二没食子酸酯被选择作为SARS-CoV-2治疗剂，因为它们对SARS-CoV-2具有良好的结合亲和力。K.A. Peele等人医学信息学解锁19（2020）1003456见图7。 SARS-CoV 20 ns MD模拟期间均方根偏差（RMSD）a、均方根波动（RMSF）b值、回转半径（Rg）c的曲线图- 2 3CL蛋白酶与茶黄素二没食子酸酯的复合物主要蛋白酶的活性部位。识别天然和现有的获批药物是早期发现抗COVID-19药物的一个值得注意的步骤。基于对接分数的观察，我们认为苯酚衍生物和抗HIV药物，可以帮助COVID-19药物发现。三个复合物的RMSD落在0.15和0.25 nm之间，并推断化合物洛匹那韦，阿莫地喹，和茶黄素没食子酸酯发生了良好的构象变化，而结合，并保持密切的亲和力与主要蛋白酶的结合位点。然而，需要进行体外和体内评价研究，以重新使用这三种药物对抗2019-nCoV。伦理声明本研究不涉及动物。竞合利益作者声明没有竞争利益。确认作者感谢VFSTR（被认为是大学）和DST-FIST（LSI- 576/2013）网络 设 施 开 展 这 项 工 作 。 作 者 特 别 感 谢 Shelvia Malik 女 士 和PrajwalNandekar博士提供Schrodinger的免费许可试用，以进行虚拟筛选和对接工作。作者也感谢期刊经理ELSEVIER为本文提供全额费用减免附录A. 补充数据本文的补充数据可在https：//doi网站上找到。org/10.1016/j.imu.2020.100345。引用[1] 邓世清，彭慧娟. 中国2019年冠状病毒病疫情的特征和公共卫生应对措施。临床医学杂志2020;9：575。[2] Lauer SA，Grantz KH，Bi Q，Jones FK，Zheng Q，Meredith HR，AzmanAS，Reich NG，LesslerJ.从公开报告的确诊病例中发现的2019年冠状病毒病（COVID-19）的潜伏期：估计和应用。2020年《实习医学》。https://doi.org/10.7326/M20-0504网站。[3] 陆荣，赵X，李军，牛萍，杨波，吴华，毕Y. 2019新型冠状病毒的基因组特征和流行病学：对病毒起源和受体结合柳叶刀2020;395：565-74.[4] 放大图片作者：J.冠状病毒抑制剂的发现与研究进展。今日药物发现2020;25（4）：668[5] 布罗德湾抗逆转录病毒疗法的发展及其对HIV-1/艾滋病流行的影响。抗病毒研究2010;85（1）：1。[6] PerezRM.从植物中分离的化合物的抗病毒活性药学生物学2003;41（2）：107[7] Graham RL，Sparks JS，Eckerle LD，Sims AC，Denison MR. 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