医学信息学解锁：计算机设计的SARS-CoV-2纤突蛋白四链体核酸适体

医学信息学解锁26（2021）100757抗SARS-CoV-2纤突蛋白四链体核酸适体的计算机设计A R T I C L EI N FO关键词硅片SARS-CoV-2核酸适体非SELEX方法A B S T R A C T核酸适体是与特定靶分子结合的核酸配体的短序列。 使用精心设计的SELEX（通过指数富集的配体系统进化）方法实验性地提名适体。本文设计了一种基于G-四链体适体的SARS-CoV-2诊断和阻断方法。该适体针对刺突蛋白的受体结合结构域（RBD）区域开发。在本研究中，通过计算机模拟设计了10个名为AP 1、AP 2、AP 3、AP4、AP 5、AP 6、AP 7、AP 8、AP 9和AP 10的四链体DNA适体，并具有高HADDOCK评分。基于与SARS-CoV-2的RBD的相互作用，选择了一个四链体适体序列（AP 1）。结果表明，AP1核酸适体可作为SARS冠状病毒2型的诊断和治疗药物，但仍需进一步研究1. 介绍适体是具有复杂三级结构的短单链DNA或RNA寡核苷酸，能够以高特异性结合其靶标[1]。G-四链体寡核苷酸适体与通常的适体相比相对更稳定以抵抗核酸酶降解[2]。使用抗病毒适体是诊断和治疗病毒的最先进的方法。在最近十年中，一些SARS-CoV和MERS-CoV的适体被认为是潜在有用的诊断剂，并有希望用于检测病毒[3，4]。计算机模拟方法的应用通过提出生物系统的有价值的预测而彻底改变了分子生物学领域，并且该领域随着新的计算工具如机器学习方法的出现而发展[5]。应用分子对接来预测分子间的相互作用已经帮助科学家们提供了关于生物系统的有价值的信息[6，7]。SARS-CoV-2刺突蛋白是一种同源三聚体复合物，对于冠状病毒进入宿主细胞至关重要，并且是COVID-19的重要药物靶标之一[8]。刺突蛋白形成S1和S2亚基[9]。S1结构域包含受体结合结构域（RBD）和N末端结构域（NTD）。S2亚基具有 两个七肽重复结构域（HR1和HR2）和融合肽[10]。一项研究报告了一些针对SARS-COV-2刺突糖蛋白结合结构域的适体[11]。目前，关于SARS-CoV-2四链体适体的研究还未见报道。近年来，生物信息学被用来设计新的适体，改善适体的结合特性。一些研究已经报道了模拟针对雌激素的适体的计算机方法受体α（ERα）、血管内皮生长因子（VEGF）和癌胚抗原（CEA）[12本研究的主要目的是为SARS-CoV-2的诊断和治疗提供一种新的方法。在所提出的计算机模拟方法中，基于对接得分、生物缀合物自由能和蛋白质-配体相互作用分析仪，从适体序列的随机池中设计针对SARS-CoV-2受体结合结构域的G-四链体ssDNA适体。图1表示计算机模拟方法的不同步骤2. 材料和方法2.1. 数据收集在预测潜在适体的情况下，从QGRS数据库中收集包括100个随机DNA序列的G-四链体关于SARS-CoV-2刺突蛋白，从蛋白质数据库（PDB）中获取通过电子显微镜方法鉴定为PDB ID：6vXX的分辨率为2.80 nm的结构2.2. 通过不同突变在这些适体上使用不同类型的突变，包括重复、截短、四碱基片段这些四链体适体的结构通过QGRS MAPPER确认[16]。https://doi.org/10.1016/j.imu.2021.100757接收日期：2021年8月10日;接收日期：2021年10月6日;接受日期：2021年10月11日2021年10月14日网上发售2352-9148/©2021的 自行发表通过Elsevier 公司这是一个开放接入文章下的CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。可在ScienceDirect上获得目录列表医学信息学期刊主页：www.elsevier.com/locate/imuM. Behbahani等人医学信息学解锁26（2021）1007572Fig. 1. 描述用于计算机模拟分析SARS-CoV-2刺突蛋白与引入适体之间相互作用以选择最有效配体的总体方法的流程图。表1使用Mfold网络服务器选择适体序列并预测相关参数适体序列长度（核苷酸）GC预测游离百分比能量ΔG（kcal/mol）预测焓ΔH（kcal/mol）预测熵ΔS（cal/k.mol）预测熔点（℃）AP1AAGCGGTTTTGGCCGGGGTTAAGGTTGCGG30 60.0-2.67-38.80-116.2 60.7AP 2ATCCGGGATAGGATTCTTAAGCCCTGGGCCCTGGGCCCCG40 65.0-6.44-108.9 330.3 56.4AP3AAGCGTGGTTCCCCGGCCGGAAGGTTGCCA30 66.0-1.64-35.0-107.5 52.2AP 4ACAGCACGAGGGCGGGTGGGTCGG24 75-1.03-25.5-78.8 50.0AP 5AAGGGTGGTTCCCCGGCCTTAAGGTTGGCA30 60.0-5.18-60.60-178.6 65.9AP 6AAGGGTTTTTCCCCGGCCGGAAGGTTTTCCA31 54.0-4.47-65.0-195.1 59.9AP 7AAGGGTTTTTGGCCGGCCGGAAATTTTCCA30 50.0-2.10-61.70-192.1 47.9AP 8AAGCGTGGTTGGCCGGCCGGAAGGTTGCCA30 66.0-4.21-61.70-185.3 59.7AP 9AAGCGGTTTTGGCCGGCCTTAAATTTGCGG30 53.0-2.76-38.8-116.2 60.7AP 10AAGCGGTTTTGGCCGGCCTTAAGGTTGCGG30 60.0-2.76-38.8-116.2 60.72.3. 预测DNA适体在此基础上，预测了这些适体的二维和三维结构。利用这些结构进一 步 研 究 了 SARS-CoV-2 的 S 蛋 白 使 用 Mfold 服 务 器 （ 3.1 版 ，http://unafold.rna.albany.edu ） 预 测 修 饰 的 ssDNA 适 体 的 二 级 结 构[17]。根据Heiat等人提出的用于预测DNA适体结构的方法，使用Rosetta服务器（http：rosie.rosettacommons.org/rna_denovo）预测适体的三维结构[18，19]。2.4. 分子相互作用分析分子对接是一种计算机模拟方法，已被证明是预测分子相互作用的有效方法[20]。 SARS-CoV-2刺突蛋白（PDB ID：6vXX）和适体的PDB文件分别用作HADDOCK在线网络服务器（https://wenmr.science.uu.nl/）中的输入受体和配体分子[21，22]。选择具有高分亲和力的十种适体并用于进一步分析。蛋白质-配体相互作用分析服务器（PLIP;https：//projects.biotec.tu-dresden.de/plip-web/plip/index）[23]用于可视化配体和受体分子的相互作用残基3. 结果3.1. 抗刺突蛋白适体的结构预测首先，选择10个设计的具有24-40个核苷酸的适体适体-刺突蛋白复合物（链A、B和C）的HADDOCK评分、相关Z评分和能量参数示于图10中。表2.基于这些结果，刺突蛋白复合物与40个核苷酸适体中的AP 2、30个核苷酸适体中的AP 1、AP 5和AP 8具有与受体结合结构域（RBD）的高百分比相互作用和高dock分数以及比其它复合物最低的自由能，并且被选择用于进一步考虑。结果（图2）显示，所有修饰的适体均具有发夹结构，其具有一个或两个环，随后是一个或两个茎。这些修饰可以根据3′端环、茎、和侧翼尺寸。结果表明，AP 1和AP 5适体在5′端具有一个环。如图2所示，适体AP 2在5′端和3′端具有两个环，具有两个茎结构，而AP 8在5 ′端和3′端具有两个环，在三分之一的末端互相重叠M. Behbahani等人医学信息学解锁26（2021）10075733.2. 分子相互作用分析通过PLIP在线网络服务器确定每个适体与SARS-CoV-2刺突蛋白的相互作用位点。四个修饰序列和刺突蛋白的相互作用残基的结果示于表3中。结果表明，所有适体几乎都与RBD、NTD和HR1结构域中的氨基酸相互作用（图3）。在图S1和S2中，我们使用Patel等人[24]的方法，应用ligplot程序显示SARS-CoV-2的AP 1（链B C）和刺突蛋白之间的相互作用。&在链B和C中的适体AP 1中观察到与RBD结构域的最高相互作用（100%）（表3）。因此，AP1可能是一个更有价值的适体。图3-5显示适体AP 1与SARS-CoV-2刺突蛋白的对接结果。4. 讨论和结论计算机模拟方法已在分子生物学中用于各种分析，例如研究不同的受体和配体。随着全球流行病的出现，许多研究人员试图使用计算机模拟、体外和体内研究来制定有效的COVID-19预防和治疗策略[25]。关于这种流行病，计算机模拟方法已用于不同的研究，用于分析SARS-CoV-2的分子结构，甚至引入潜在的治疗药物[26，27]。先前的报告表明，计算机模拟方法（如分子对接研究）可用于研究寡核苷酸和蛋白质分子之间的相互作用，这被证明对治疗应用研究有效[28，29]。本研究建立了一种新的设计抗SARS-CoV-2纤突蛋白G-四链体DNA适体的方法。G-四链体DNA适体具有富含G的序列，能够形成对配体结合和生物催化至关重要的四链结构[30]。然而，针对特定酶和蛋白质的G-四链体适体的设计和优化难以实现。发现新型G-四链体适体的基本策略是干扰G-四链体形成序列与结合蛋白之间的结合[31，32]。然而，这是第一个报告，设计了一个四链体DNA适体的诊断和治疗的SARS-CoV-2的受体结合结构域为目标。该适体针对刺突蛋白的受体结合结构域（RBD）区域开发[33]。我们的结果得到了QGRS MAPPER的证实。在世界范围内进行了类似的研究，以开发抑制SARS复制的各种步骤的药物[3，4]。Song及其同事通过使用RBD作为扩增系列DNA适体的靶标，并在SELEX方法中使用机器学习筛选算法优化了两种针对SARS-CoV-2 RBD的适体[11]。Chen及其同事发现了一种新的方法，可以使用DNA适体来鉴定检测SRAS-CoV-2 N蛋白。他们研究中使用的适体是基于以前为SARS-CoV N蛋白选择的适体设计的。它们与SRAS-CoV-2N蛋白具有很强的亲和力[34].在本研究中，AP 1序列与RBD具有相互作用。修饰的AP 1适体具有发夹结构，其中一个环随后是茎。先前的结果也提到茎环结构涉及共同的张力[35]。因此，AP1适体可作为SARS冠状病毒2型的诊断和治疗药物，但需要进一步的实验室研究。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作表2使用Haddock网络服务器选择的适体、所有链A、B和C的dock评分、Z评分和相关能量参数AP 10AP 9AP 8AP 7AP 6AP 5AP 4AP3AP 2AP1适体-68.86.20-61.28.30.27.00.16.30.23.92.80.40.1链ARMSD4.20.88.08.06.61.46.80.813.01.0链条C2.31.08.38.57.00.77.01.118.111.0链B-67.1-107.198.4-175.5-305.9-268.024.419.322.320.919.231.19.735.828.90.74.512.517.021.113.230.812.028.422.723.28.819.431.81728.833.810.729.429.4-2.4-2.3-1.8-28.5-91.2-57.9-94.9-93.2-86.6-245.3-144.2-1.8-234.9-1.7-1.9-42.0-87.4-64.2-91.6-59.3-68.6-441.6-248.0-1.5-609.9-1.6-1.5-19.3-57.6-44.5-59.8-66.0-82.0-285.6-432.7-1.7-346.4-1.7-1.6-39.4-85.8-70.1-83.0-79.0-89.9-273.6-108.0-0.9-378.9-1.2-1.1-48.4-108.4-67.8-102.7-87.0-96.0-447.0-346.4-2.4-603.6-2.2-1.7-46.0-76.0-48.2-84.6-75.7-69.7-150.6-173.3-1.7-178.1-1.3-2.0-93.6-94.7-78.3-86.7-81.0-73.6-543.3-464.5-2.1-413.4-1.9-2.1-23.0-58.4-70.6-71.7-93.4-68.7-572.1-351.0-2.4-509.7-1.7-2.0-61.30.5-61.0-77.2-83.6-76.2-284.9-110.8-2.9-283.4-1.8-1.9-2.3链A链B链条C链A链B链条C链A链B链条C链B链A链条C链A Z评分链条C链B范德华能量（kcal/mol）阿道克评分去溶剂化能（kcal/mol）静电能（kcal/mol）M. Behbahani等人医学信息学解锁26（2021）1007574图二. Mfold Web服务器预测的四个选定序列（AP 1、AP 2、AP 5和AP 8）的二级结构。表3HADDOCK评分、刺突蛋白相互作用结构域和四种选定适体序列的相互作用残基适体对接得分相互作用结构域链B链条C链B链条CAP1-61.3-77.2RBD（100%）RBD（100%）AP 2-58.4-71.7 RBD（96.77%）其他（3.33%）RBD（93.55%），其他（6.45%）AP5-108.4-102.7 RBD（74.07%）新台币（25.93%）AP8-87.4-91.6 RBD（48.5%）新台币（12.12%）HR1（18.18%）其他（21.20%）RBD（48.38%）、NTD（45.16%）、其他（6.46%）RBD（58.34%）新台币（8.33%）HR1（33.33%）图三. SARS-CoV-2刺突蛋白的示意图：N-末端结构域（NTD）、受体结合结构域（RBD）、融合肽（FP）、七肽重复区1和2（HR 1和HR 2）。M. Behbahani等人医学信息学解锁26（2021）1007575见图4。A.适体AP 1（黄色条带）与刺突蛋白链B的分子对接复合物及其氢键水平。(For关于这一图中颜色的解释，请读者参阅本文的网络版图五. 适体AP 1（黄色条带）与刺突蛋白链C的分子对接复合物及其氢键水平。(For关于这一图中颜色的解释，请读者参阅本文的网络版致谢作者感谢伊斯法罕大学对本研究的财政支持附录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.2021.100757。引用[1] 迈尔湾适体的化学生物学。Angew Chem Int Ed 2009;48：2672-89.[2] [10] Ro X o C，Kotkowiak W，Pasternak A. G-Quadruplex-FormingAptamersCharr-characteristics，applications，and perspectives. 分子2019;24：3781。[3] 沈国泰，谭拿杰。DNA适体对SARS冠状病毒解旋酶的不同抑制活性和稳定性。化学生物化学2008;9（18）：3037[4] Seong-JeCho H-MW，Kim Ki-Sun，Oh Jong-Won，Jeong Yong-Joo. 利用ssDNA适体检测SARS冠状病毒核衣壳蛋白的新系统。生物科学杂志Bioeng2011;112（6）：535[5] MohabatkarH，Ebrahimi S，Moradi M.利用周氏用不同的机器学习算法和伪氨基酸组成预测谷胱甘肽S-转移酶。 Int J Pept ResTherapeut 2021;27（1）：309-16。[6] 哈格海吉岛丙酮酸激酶结构和配体选择性的电子模拟研究来自蓝细菌集胞藻属PCC 6803。应用生物化学生物技术2021：1-21。[7] Haghighi O，Davaeifar S，Zahiri HS，Maleki H，Noghabi KA.聚胞藻6803谷氨酸脱氢酶的同源模建和分子对接研究. IntJ Pept Res Therapeut 2020;26（2）：783-93。[8] 黄英，杨春，徐晓芬，徐伟，刘世文. SARS-CoV-2刺突蛋白的结构和功能特性：COVID-19的潜在抗病毒药物开发。药理学学报，2020;41（9）：1141[9] [10]张文辉，张文辉.蛋白质结构和动力学的侧链网络方法调查：SARS-CoV-2刺突蛋白作为一个说明性案例。Frontiers inMolecular Biosciences 2020;7：379.[10] 王丹，麦军，周伟，于伟，詹勇，王宁，等.免疫信息学分析 T细胞和B细胞表位用于SARS-CoV-2疫苗设计。 疫苗2020;8（3）：355。[11] Song Y，SongJ，Wei X，Huang M，Sun M，Zhu L，et al. Discovery ofaptamerstargeting the receptor-binding domain of the SARS-CoV-2 spikeglycoprotein. 肛门Chem2020;92（14）：9895[12] Ahirwar R，Nahar S，Aggarwal S，Ramachandran S，Maiti S，Nahar P.使用计算对接将雌激素应答元件用作适体类似分子的雌激素受体α适体的计算机选择。 SciRep 2016;6（1）：21285。[13] Chushak Y，Stone MO. RNA适体的计算机模拟选择。Nucleic Acids Res 2009;37（12）：e87-.[14] 胡伟平，库马尔JV，黄春杰，陈伟英。抗血管生成素-2 RNA适体的计算机筛选及实验评价。国际生物医学研究所。2015年：658712。[15] [10]杨文军，王晓刚，王晓刚.癌胚抗原适体的计算分析、优化及实验评价行动。 J Biotechnol 2019;306：1-8.[16] Kikin O，D'Antonio L，Bagga PS. QGRS Mapper：一个基于网络的服务器，用于预测核苷酸序列中的G-四链体。Nucleic Acids Res 2006;34（suppl_2）：W676[17] 祖克·M用于核酸折叠和杂交预测的Mfold网络服务器。核酸研究2003;31（13）：3406[18] 放大图片作者：J.原子精度在预测和设计非典型的RNA结构。 Nat Methods2010;7（4）：291-4.[19] Heiat M，Najalan A，Ranjbar R，Rasafi AM，Rasaee MJ.计算方法来分析针对血管紧张素II的分离的ssDNA适体。 J Biotechnol 2016;230：34[20] Haghighi O，Moradi M.聚胞藻6803乙醇脱氢酶作为生物燃料生产关键酶的结构和配体相互作用的计算机模拟研究。应用生物化学和生物技术2020;192（4）：1346-67。M. Behbahani等人医学信息学解锁26（2021）1007576[21] van Zundert GCP，Rodrigues JPGLM，Trellet M，Schmitz C，Kaiden PL，KaracaE，等人 HADDOCK2.2网络服务器：用户友好的生物分子复合体综合建模。JMol Biol 2016;428（4）：720-5.[22] HonoratoRV，KoukosPI，Jim′enez-GarcíaB，TsaregorodtsevA，VerlatoM，Giachetti A等人，《云中的结构生物学：WeNMR-EOSC生态系统》。Frontiers inMolecular Biosciences 2021;8（708）.[23] 张文辉，张文辉，张文辉，张文辉，张文辉. PLIP：全自动蛋白质-配体相互作用分析仪。 核酸研究2015;43（W1）：W 443 -7。[24] Patel A，Rajendran M，Shah A，Patel H，Pakala SB，Karyala P.姜黄素及其类似物对SARS-CoV-2和SARS冠状病毒J Biomol Struct Dyn2021：1-9.[25] Patel A，Patel A，Hemani R，Solanki R，KansaraJ，Patel G，et al. EX ploringthe in-silico approach for assessing the potential of natural compounds as aSARS-CoV-2主要蛋白酶抑制剂。《通讯》 2021;14：58-72。[26] MohabatkarH，Behbahani M，Moradi M.一份简明的计算机预测报告，SARS-COV-2多聚蛋白中潜在的朊病毒样结构域。微生物学生物技术食品科学杂志2021. e4813-e4813，印刷中。[27] 艾哈迈迪·K，法拉萨特·A，罗斯塔米安·M，乔哈里·B，马丹奇·H.恩夫韦肽，一种HIV-1融合抑制肽，可以作为有效的SARS-CoV-2融合抑制剂：一项计算机药物再利用研究。 J Biomol Struct Dyn 2021：1-11.[28] Gharavi M，Johari B，Rismani E，Mousazadeh N，Taromchi AH，Sharavi A.NANOG诱饵寡脱氧核苷酸包封的类囊泡纳米载体：抑制U87人多形性胶质母细胞瘤细胞转移特性的有前景的方法。 ACS Chem Neurosci 2020;11（24）：4499-515。[29] [11] BagdelouZ，Johari B，Kadivar M，Rismani E，Asadi Z，Rahmati M，et al.投资-设计的寡脱氧核苷酸诱饵与经历上皮-间充质转化（EMT）的HT 29细胞系中的转录因子的特异性结合。J Cell Physiol2019;234（12）：22765[30] 丁兵，郑伟，张霞，沈丽，刘霞，王芳，等。三重-四重结构支架：一种新的核酸适体结合结构。 Sci Rep 2017;7（1）：15467。[31] Shan C，Yan J-W，Wang Y-Q，Che T，Huang Z-L，Chen A-C，et al. Design，synthesis，and evaluation of isaindigotone derivatives to downregulate c-myctranscriptionvia disrupting the interaction of NM 23-H2 with G-quadruplex. JMed Chem 2017;60（4）：1292[32] 王永庆，黄志玲，陈世斌，王春祥，单春，尹庆凯，等.新型选择性NM 23-H2结合剂的设计、合成和评价. c-MYC转录通过破坏NM 23-H2/G-四链体相互作用来抑制。 医学化学杂志2017;60（16）：6924-41。[33] Xia S，Liu M，Wang C，Xu W，Lan Q，Feng S，et al. Inhibition of SARS-CoV-2（previously 2019-nCoV）infection by a highly potent pan-coronavirus fusioninhibitortargeting its spike protein that harbors a high capacity to mediate SARS-CoV-2（previously 2019-nCoV）infection.膜融合Cell Res2020;30（4）：343-55.[34] 陈志，吴强，陈军，倪新，戴军.一种基于DNA适体的检测大肠杆菌的方法SARS-CoV-2核衣壳蛋白。 Virol Sin 2020;35：351-4.[35] 张文辉，张文辉，张文辉.多价适体：诊断和治疗应用的多功能工具。Molecules2016;21（12）.Mandana Behbahani，Hassan Mohabatkar *，BarumandHosseini伊斯法罕大学生物科学与技术学院生物技术系，伊斯法罕，81746-73441，伊朗*通讯作者。电子邮件 地址： h_mohabatkar@yahoo.com，h.mohabatkar@ast.ui.ac。ir（H. Mohabatkar）。