抗肠道病毒药物设计和前景展望--“第二部分：靶向病毒衣壳”

作者：崔胜

   肠道病毒衣壳呈现无包膜、正二十面体结构。每一个正二十面体颗粒由60个相同的病毒衣壳蛋白异源四聚体（VP1-VP4）组装形成。病毒衣壳直接参与了细胞的吸附，入侵和脱壳等病毒生活中期中关键过程，因此是最早被确认的药物设计靶标之一。显而易见，高分辨率病毒衣壳三维结构信息是靶向衣壳药物设计的前提。在三十余年的不懈探索中，包括鼻病毒（HRV-16^[1]）和柯萨奇病毒（ Coxsakievirus A9^[6] , A24^[7]and B3^[8]）等一系列肠道病毒完整衣壳晶体结构先后获得解析。最近，EV71病毒完整衣壳结构及其与抑制剂分子形成的复合物三维结构成功解析。这一重大进展归功于多位国际著名病毒衣壳晶体学专家。其中既包括了由我国和英国多位科学家组成的研究团队（Rao’s, Fry’s and Stuart’s groups ^[5-7],又包括了一个来自美国的研究组（ Rossmann’s group ^[8-9]）。

肠道病毒衣壳的结构学研究发现正二十面体结构并非“铁板一块”。病毒衣壳的表面不但存在“缝隙”（cleft），而且病毒衣壳蛋白具备固有的动态变化特性。研究证实，衣壳蛋白的构象动态变化是病毒实现与细胞受体的结合，入侵以及最终脱壳的必要条件。高分辨率病毒衣壳结构进一步揭示衣壳蛋白表面缝隙的内部藏有疏水的口袋。当小分子化合物钻进这些缝隙并占据内部口袋的时候，整个病毒衣壳结构将会变得非常稳定和“僵硬”，从而实现干扰病毒衣壳正常功能的目的。我国著名结构生物学专家饶子和院士和牛津大学Stuart教授课题组通过合作研究解析了EV71完整衣壳与四种不同的3-(4-pyridyl)-2-imidazolidinone衍生物形成的复合物晶体结构，在原子水平上揭示了抑制剂结构与抗病毒活性之间的关联。利用quantummechanics-enhanced ligand docking技术，他们开展了基于结构的抑制剂分子优化设计，最终获得了一种全新的化合物，具有较以往合成的化合物高一个数量级的抗病毒活性^[7]。美国晶体学专家 Rossmann教授课题组获得了EV71病毒颗粒与抑制剂“WIN-51711”形成的复合物晶体结构。WIN化合物是由制药企业 Sterling Winthrop研发的一系列病毒衣壳结合药物。Rossmann发现 WIN-51711能够取代病毒衣壳固有的口袋因子 （ pocketfactor）并占据位于衣壳蛋白 VP1的疏水口袋。他们进而证实：WIN-51711可以稳定EV71病毒衣壳的构象，限制病毒衣壳蛋白的构象动态变化，从而有效抑制病毒RNA基因组的释放 ^[8]。同一个课题组在2015年还报道了流行北美、引发儿童呼吸系统疾病的肠道病毒D68型病毒衣壳与 抑制剂Pleconaril形成的复合物晶体结构^[10]。Pleconaril曾经是针对导致普通感冒的鼻病毒开发的衣壳结合药物。Rossmann的研究结果揭示Pleconaril不但能占据VP1蛋白表面的疏水口袋，而且具备纳摩尔水平抑制肠道病毒D68复制的能力，从而指出了该药物具有广谱抑制多种肠道病毒的潜力。

    高分辨率病毒衣壳的结构信息为衣壳结合类化合物的设计和优化提供了重要基础。然而，该类化合物具有一个难以回避的不利条件，即容易诱导耐药性。这主要源于以下两种原因。（1）肠道病毒编码了一种称为“RNA依赖的RNA聚合酶（RDRP）”。RDRP负责病毒基因组的复制，然而RDRP的复制错误率非常高，导致了病毒编码蛋白保持较高的突变率。（2）与病毒编码的非结构蛋白不同，病毒衣壳蛋白的遗传选择压力较低，能够容忍较高的突变率。因此，肠道病毒衣壳蛋白的编码序列保守性相对最低，突变和重组的发生率较高。综上所述，在衣壳结合类药物的选择压力下，肠道病毒通常能够迅速发生突变，降低药物和病毒衣壳的亲和力，从而产生耐药性。

参考文献

1.    Rossmann, M.G., etal., Structure of a human common cold virus and functional relationship toother picornaviruses. Nature, 1985. 317(6033): p. 145-53.

2.    Hendry, E., et al.,The crystal structure of coxsackievirus A9: new insights into the uncoatingmechanisms of enteroviruses. Structure, 1999. 7(12): p. 1527-38.

3.    Zocher, G., et al.,A sialic acid binding site in a human picornavirus. PLoS Pathog, 2014. 10(10):p. e1004401.

4.    Muckelbauer, J.K.,et al., Structure determination of coxsackievirus B3 to 3.5 A resolution. ActaCrystallogr D Biol Crystallogr, 1995. 51(Pt 6): p. 871-87.

5.    Wang, X., et al., Asensor-adaptor mechanism for enterovirus uncoating from structures of EV71. NatStruct Mol Biol, 2012. 19(4): p. 424-9.

6.    Ren, J., et al.,Picornavirus uncoating intermediate captured in atomic detail. Nat Commun,2013. 4: p. 1929.

7.    De Colibus, L., etal., More-powerful virus inhibitors from structure-based analysis of HEV71capsid-binding molecules. Nat Struct Mol Biol, 2014. 21(3): p. 282-8.

8.    Plevka, P., et al.,Structure of human enterovirus 71 in complex with a capsid-binding inhibitor.Proc Natl Acad Sci U S A, 2013. 110(14): p. 5463-7. 

9.    Plevka, P., et al.,Crystal structure of human enterovirus 71. Science, 2012. 336(6086): p. 1274.

10.   Liu, Y., et al.,Virus structure. Structure and inhibition of EV-D68, a virus that causesrespiratory illness in children. Science, 2015. 347(6217): p. 71-4.

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