El modelado y la simulación proponen nuevos conocimientos para el SARS-CoV-2

En nuestro blog anterior, discutimos el uso de herramientas de modelado predictivo para construir estructuras iniciales a nivel atómico de posibles objetivos de fármacos (p. Ej., Proteínas) y para refinar regiones que no se podían determinar experimentalmente ( Ver video ). Estas herramientas incluyen la adición de átomos de hidrógeno y bucles flexibles que a veces no pueden resolverse experimentalmente. Examinamos esto en el contexto de la microscopía crioelectrónica (crio-EM) de la proteína pico (S) del SARS-CoV-2 publicada recientemente en la revista Science (DOI:10.1126 / science.abb2507).

En este blog, detallaremos cómo el modelado molecular y la simulación de modelos estructurales refinados como la proteína SARS-CoV-2 S pueden ayudar en la generación de nuevas hipótesis para el descubrimiento y diseño de terapias putativas para tratar COVID-19.

La unión a fármacos depende de cambios estructurales

En los sistemas vivos, las proteínas existen naturalmente como entidades dinámicas. Su dinámica suele predeterminar su función. El físico Richard Feynman dijo una vez:

“Si tuviéramos que nombrar la suposición más poderosa de todas, que lleva a uno una y otra vez en un intento por comprender la vida, es que todas las cosas están hechas de átomos y que todo lo que hacen los seres vivos puede entenderse en términos de las sacudidas y contoneos de los átomos ". ¹

La proteína SARS-CoV-2 S no es una excepción al principio de Feynman. Antes de entrar en las células humanas, la proteína S se une a un receptor denominado enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2). ² El dominio de unión al receptor (RBD) es parte de la proteína S que se une a ACE2 ( Figura 1A ). El RBD puede existir en al menos dos estados conformacionales primarios llamados estados arriba (accesible al receptor) y abajo (inaccesible al receptor) ( Figura 1B ). Cuando el RBD está en el estado activo, la proteína S está más "abierta" para facilitar la unión de ACE2. ² Los estudios han sugerido que el estado inaccesible al receptor inactivo es más estable. ² Esto implica que las terapias putativas, como pequeñas moléculas orgánicas capaces de unirse a RBD, podrían estabilizar la RBD en el estado de inactividad y evitar que el virus interactúe con ACE2; por lo tanto, evitando que COVID-19 infecte a las personas.

El RBD de la proteína S es como la bisagra de una puerta

Un enlazador flexible conecta el RBD a la proteína S restante. La flexibilidad del enlazador permite que RBD pase del estado hacia abajo al hacia arriba a través de un movimiento de flexión de bisagra ( Figura 1B ). De la proteína SARS-CoV-2 S, hemos extraído el RBD con el enlazador flexible asociado y el dominio adyacente ( Figura 1C ). Usamos la estructura RBD de la proteína S en el estado activo (PDB 6VYB), pero esta estructura carece de tres bucles potencialmente importantes para la unión de ACE2 ( Figura 1C ). Como resultado, tuvimos que construir un modelo de homología del RBD con el enlazador flexible usando la estructura crio-EM a partir de la cual se hizo originalmente el truncamiento (PDB 6VYB) con una plantilla adicional. La plantilla adicional fue la estructura cristalina del RBD solo en complejo con ACE2 (PDB 6M17) ( Figura 1A ).

La estructura RBD contiene bucles que incluyen uno de más de 20 residuos de aminoácidos, que no están presentes en la estructura de estado abierto (PDB 6VYB). Dos de estos bucles forman la interacción con ACE2; por lo tanto, el modelado de homología es necesario para comprender las interacciones de la proteína Spike. Luego podemos asignar átomos de hidrógeno en estados de protonación apropiados para imitar condiciones fisiológicas como el pH.

Luego, podríamos realizar una simulación de dinámica molecular (MD) para simular la transición conformacional y / o predecir posibles sitios de unión donde supuestas moléculas pequeñas pueden unirse para interrumpir la interacción de la proteína S con ACE2. Cuando predijimos posibles sitios de unión utilizando BIOVIA Discovery Studio para nuestro modelo de homología del RBD con el enlazador flexible, identificamos un sitio de enlace ubicado en la bisagra del enlazador flexible ( Figura 1C ). Llamamos a esta región la bisagra y notamos que puede ser digno de una mayor investigación para el descubrimiento de terapias putativas. Si una molécula pequeña se uniera en la región de la bisagra, posiblemente podría bloquear el RBD en un estado hacia abajo y así evitar la unión de ACE2.

Investigaciones adicionales

Investigaciones exhaustivas que incluyen predicciones computacionales y experimentos biológicos podrían aclarar aún más la utilidad de la región bisagra. Los ejemplos de predicciones computacionales podrían incluir análisis en modo normal (NMA) y / o simulación MD. ³ Por ejemplo, una escala de tiempo larga, de aproximadamente cientos de nanosegundos, de simulación de MD podría permitir a los científicos muestrear múltiples conformaciones de la región bisagra.

Por otro lado, una NMA podría proporcionar una estimación aproximada y rápida de las transiciones conformacionales. ³ Las conformaciones específicas de la simulación MD y / o NMA son puntos de partida para el cribado virtual de alto rendimiento de posibles bases de datos de moléculas pequeñas. Los científicos podrían acoplar y clasificar cada molécula pequeña en todas las conformaciones. Luego, podrían clasificar todas las poses resultantes y enviar los mejores resultados para la validación experimental. Los estudios han demostrado que este método de descubrimiento computacional de fármacos, a menudo denominado cribado virtual basado en conjuntos, mejora las posibilidades de identificar candidatos a fármacos. ⁴ El método también refleja la realidad de que la unión al fármaco depende de cambios estructurales en la proteína, como se señaló anteriormente. Creemos que los resultados preliminares identificados aquí son interesantes y merecen una mayor investigación.

En segundo lugar, nos gustaría señalar que el modelo estructural de la proteína S refinada podría utilizarse como objetivo para inmunoterapéuticos. ⁵ Los científicos podrían diseñar anticuerpos monoclonales que se unan a las proteínas CoV-2 S del SARS basándose en el conocimiento previo del sitio de unión de ACE2. Luego podrían actuar in silico estudios de maduración por afinidad para mejorar la especificidad de unión. ⁶

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Reutilización de fármacos Decodificación de los genomas del SARS-CoV-2 - Pruebas de diagnóstico