近日，经过持续科研攻关，南开大学药学院、药物化学生物学国家重点实验室尚鲁庆副教授课题组揭示了冠状病毒主蛋白酶的催化机制，讨论了冠状病毒MERS-CoV与SARS-CoV主蛋白酶在催化过程中的区别，进而优化了主蛋白酶抑制剂的生物活性。该工作为未来应对冠状病毒的变异奠定了研究基础，旨在助力抗新型冠状病毒药物的研发。介绍该成果的论文发表在美国化学会期刊《ACS Catalysis》上。
冠状病毒是一类形似日冕状的RNA病毒，是已知RNA病毒中具有最大基因组的病毒。自1965年首次分离出人类致病的冠状病毒以来，已有7种冠状病毒被发现可以导致人类产生疾病。其中，有4种冠状病毒HCoV-229E、HCoV-NL63、HCoV-HKU1、HCoV-OC43可以导致人类出现轻度呼吸系统疾病，这些疾病在临床上占呼吸道感染疾病的10%-30%。其余的三种冠状病毒SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2(新型冠状病毒)作为高致病性冠状病毒，其致死率高达10%-30%。特别是新型冠状病毒引起的新冠肺炎(COVID-19)，以极快的速度席卷全球，至今已造成多达500万人感染，超过30万患者死亡。
针对新冠肺炎尚无临床特效药物用以治疗，通过研究冠状病毒关键性蛋白的通用机制，对研发抗病毒药物就变得极为重要。在冠状病毒的生命活动中，其主蛋白酶(3C样蛋白酶)能够有效地剪切病毒的蛋白前体，进而产生病毒的功能性蛋白，这对冠状病毒的复制等生命活动极为重要。因此，主蛋白酶是抗冠状病毒药物研究的重要靶点。
“现阶段针对该类蛋白酶的研究，主要集中于其底物的特异性研究和二聚化的研究，然而对其催化机制缺乏系统性地研究，制约了相应抗病毒药物的发展。因此，揭示冠状病毒主蛋白酶的催化机制，可以更好地设计和发现主蛋白酶抑制剂，从而加速抗病毒药物研发。”尚鲁庆说。
冠状病毒主蛋白酶的催化机制研究
尚鲁庆课题组在获得MERS-CoV与SARS-CoV主蛋白酶的晶体结构基础上，构建酶活分析体系，确定蛋白酶的催化活性中心，随后展开相应的主体研究。该团队结合结构生物学、蛋白突变、酶促反应动力学、分子动力学模拟、量化计算等手段，以MERS-CoV和SARS-CoV的主蛋白酶为对象，对其识别阶段和酶切阶段的催化机制进行了深入研究。在识别阶段，该团队解释了蛋白酶的S1口袋识别底物高度保守的Gln的原因;在催化阶段，该团队一方面研究底物是如何被蛋白酶所固定，另一方面阐明蛋白酶中存在一个重要的负电中心。为了更好地理解这两个蛋白酶个体的特性，该团队利用小分子抑制剂探针，结合结构生物学，酶学等手段探究了MERS-CoV和SARS-CoV主蛋白酶的催化区别。
基于以上对于催化机制的研究，尚鲁庆课题组一方面优化了蛋白酶抑制剂的结构，有效地提高了抑制剂的活性，为抗病毒药物的进一步研究打下了坚实的基础;另一方面发现了潜在的别构抑制位点，为靶向蛋白酶的抗病毒药物研发提供了新的思路。
MERS-CoV和SARS-CoV 主蛋白酶催化过程中的区别研究
针对新冠疫情的肆虐，该课题组还将新冠病毒的主蛋白酶与之前报道的冠状病毒的蛋白酶进行了序列对比和分子叠合，发现所研究的位点均保守地存在于新冠病毒和几类已知冠状病毒的主蛋白酶中。“这表明，我们研究揭示的机制可能是冠状病毒主蛋白酶的通用机制，这为应对目前正在肆虐以及未来新发的冠状病毒，发展广谱抗病毒药物具有重要意义。”尚鲁庆说。
SARS-CoV-2、SARS-CoV、MERS-CoV主蛋白酶的序列比对
据了解，南开大学药学院博士研究生王昊为论文第一作者，尚鲁庆副教授、李冬梅副教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、天津市自然科学基金支持。
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