室温X射线晶体学揭示SARS-CoV-2 3CL M^pro活性位点区域的结构柔韧性

本文为读后感，原文见文后，读后感作者朱凯祥

由SARS-CoV-2冠状病毒引起的新冠肺炎已成为全球性大流行疾病，针对病毒的抗病毒抑制剂的研发尤为重要。与许多其他单链RNA病毒相似，SARS-CoV-2采用类似于胰凝乳蛋白酶的蛋白酶（3CL M^pro）来产生病毒复制所必需的非结构蛋白。由于病毒十分依赖于3CL M^pro的活性，并且人体内缺乏同源的蛋白酶，使3CL M^pro成为一个有吸引力的蛋白酶抑制剂作用靶标。在这篇文章中，作者报导了未结合配体的SARS-CoV-2 3CL M^pro 2.30Å室温（293K）X射线晶体衍射结构，揭示了在接近生理温度时活性部位的无配体结构和催化中心区域的构象。与先前报道的低温无配体结构和抑制剂结合结构的比较表明，室温结构可能为生理温度下的分子对接研究提供更多信息。

3CL M^pro的结构由3个结构域组成，由反向平行β桶组成的domain I和II构成催化结构域，domain III由5个α螺旋组成并与酶的二聚化有关。与传统的胰凝乳蛋白酶催化中心不同，3CL M^pro的催化中心由Cys-His二联体组成，而不是Ser(Cys)-His-Asp(Glu)催化三联体。在作者他们解出来的结构中，催化残基Cys145 Sγ距离His41 Nε2 3.8 Å，这样的距离太长不能形成氢键。相反，His41与一个水分子（命名为H₂O_cat）形成强的氢键，而H₂O_cat又与Asp187 和His164的侧链分别形成2.9 Å和3.0 Å的氢键来形成稳定的结构。Asp187进一步通过与附近的Arg40残基形成盐桥来稳定位置。作者提出H2Ocat可能起第三个催化残基的作用，形成3CL Mpro中的非经典催化三联体，并通过介导其静电作用与带负电荷的Asp187在催化过程中稳定His41上的正电荷。他们指出在100K条件下获得的SARS-CoV-2 3CL Mpro无配体结构中H2Ocat是缺失的。

    接下来，作者通过重叠室温下与低温（100K）下3CL SARS-CoV-2 M^pro的结构，结果显示总体结构相似，除了192-198位的残基构象发生了变化。Ala194的肽键在室温结构中向内翻转，Thr 196的羰基氧原子的位置相差1.3Å，Asp197的CG原子相距1.9Å，Asp 197的羰基氧原子的位置相差2.6Å。

    随后，作者又比较了3CL SARS-CoV-2 M^pro室温无配体结构和结合N3抑制剂的复合物结构。结果显示活性位点附近的结构表现出很强的柔韧性，为了容纳抑制剂，室温无配体结构中一些二级单元移动了1 Å的距离，很好地诠释了底物与酶的诱导契合模型。在配体结合情况下，P2基团附近的小螺旋（残基46–50）与P3–P4取代基附近的β-发夹环（残基166–170）分开2.4Å，而跨越残基190–194的P5环更靠近 P3–P4环。两种甲硫氨酸Met49和Met165通过改变复合物结构中的侧链构象来避免与抑制剂的亮氨酸在P2位置发生冲突。此外，Met49构象的改变会级联改变Ser46和Leu50的侧链位置。出乎意料的是，由残基Ser301至Gln306组成的C末端尾巴从其在室温无配体结构中的位置转动了180°，并以与N3抑制剂结合的形式位于螺旋结构域上方。

总之，通过比较此处报道的室温无配体结构与先前报道的低温无配体结构以及与抑制剂结合结构之间的比较，可以发现3CL SARS-CoV-2 M^pro活性位点的构象柔性，这使作者提出3CL M^pro无配体形式的室温结构可能是进行分子对接研究以评估药物结合和进行药物设计的更具生理相关性的结构。

原文标题：Structural plasticity of SARS-CoV-2 3CL M^pro active site cavity revealed by room temperature X-ray crystallography

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16954-7