分子对接技术筛选沉香中抗新型冠状病毒活性成分

王 倩， 刘俊成， 宋瑗瑗， 胡 峰， 蒋 革*

(1. 大连大学生命科学与技术学院， 大连 116622； 2. 大连金普新区企业圈沉香文化发展协会， 大连 116622)

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)是指2019新型冠状病毒感染导致的肺炎，感染患者主要出现发热、乏力、干咳等症状[1]。该病毒以呼吸道飞沫和密切接触的方式传播，且潜伏期长、传染性高，目前在全球范围内对公众健康构成极大的威胁[2]。2019新型冠状病毒(SARS-CoV-2)属于β类型冠状病毒，基因组为线性单股正链的RNA病毒[3]。该病毒是通过其刺突蛋白与血管紧张素转化酶-2(ACE2)的相互作用实现特异性吸附使病毒侵入并释放遗传物质RNA，并在蛋白水解酶(3CLpro)的作用下完成自我复制从而感染宿主细胞[4-6]。目前ACE2和3CLpro的晶体结构均已解析，为抗病毒药物以及抗体、疫苗的设计提供了靶标信息。

分子对接是基于靶标蛋白结构的药物筛选方式。近年来，分子对接已成为辅助药物研究领域的一项重要技术，药物与蛋白质分子即受体会发生类似钥匙和锁的识别关系[7-9]。分子对接技术在药物基本筛选方面，能够大大节约研究成本和时间[10]。目前，由于国家急需抗COVID-19的特效药物，很多研究者利用该技术特点，筛选潜在的抗SARS-CoV-2药物，比如以SARS-CoV-S/ACE2复合蛋白和3CLpro为靶标，利用计算机辅助药物设计技术，从TCMSP数据库中筛选ACE2结合阻断剂和3CLpro抑制剂的候选药，并指导以中药小分子为前体的COVID-19的新药研发[11]。

沉香，为瑞香科植物白木香木材，具有极高的药用价值，对心血管系统、呼吸系统、中枢神经系统等方面的疾病有治疗作用[12]。含沉香的定喘汤、八味散等对治疗慢性阻塞性肺部病效果很好，治愈率高达80%[13]。研究[14]表明沉香提取物在体外具有良好的抗PRRSV的活性。沉香和艾叶等芳香类中药在COVID-19预防阶段及治疗阶段都有应用，并且发挥了辟秽化浊、健脾除湿、理气化痰等作用[15]。现代药理研究[16]显示芳香类中药可能通过降低炎症因子的过度表达或调节机体免疫功能而发挥防治COVID-19的作用。这些结果表明沉香可能具有潜在的抗新型冠状病毒的作用，但具体的作用机制尚不清楚。

本研究以ACE2、3CLpro为靶标，利用分子对接技术将沉香已知的化学成分与靶标蛋白进行对接，从中筛选ACE2结合阻断剂和3CLpro抑制剂，获得具有潜在的抗新型冠状病毒的化学成分，指导以沉香小分子作为SARS-CoV-2潜在的阻断剂和抑制剂新药的研发，为防治COVID-19新药的研发提供思路与方法。

1 材料与方法

1.1 靶标蛋白的晶体结构及预处理

下载ACE2和3CLpro的晶体结构(http://www.rcsb.org)(图1)。ACE2蛋白的PDB编号为1R42(0.220 nm)；3CLpro的PDB编号为6LU7(0.216 nm)。利用Maestro11.2对蛋白晶体进行加氢加电荷，删除水分子，补全不完整的残基，优化相应的构象，能量最小化等操作，预测靶标蛋白潜在的活性位点。

图1 ACE2和3CLpro的三维结构图

1.2 沉香化学成分的获取

通过查阅文献[17]，获得沉香中77种化学成分，其中包括26种倍半萜类化合物、17种2-(2-苯乙基)色酮类化合物、5种芳香族类化合物以及29种其他类化合物。其平面结构采用ChemDraw软件绘制，利用Maestro 11.2中的“Ligprep”工具以“OPLS_2005”力场进行结构优化，用于下一步分子对接筛选。

1.3 分子对接

通过“Ligand Docking”工具，将沉香中化学成分与靶蛋白的不同活性位点进行对接。以“Glide-Score”得分函数值评价小分子与靶蛋白的相互作用。该函数综合考虑了氢键、疏水、范德华力等相互作用，其绝对值越大表明小分子与靶蛋白的对接复合物越稳定、匹配结合作用越好。

2 结果与讨论

通过“Sitemap”程序预测ACE2和3CLpro晶体结构模型上的活性位点各有5个，将沉香中已知的77种化学成分与各个活性位点进行对接，以结合分数-7.0分为阈值，筛选出6种化学成分与ACE2有较好的结合力，4种化学成分与3CLpro有较好的结合力，且均为2-(2-苯乙基)色酮类化合物。同时发现这些成分均含有羟基，其与ACE2和3CLpro主要形成氢键、疏水、π-π共轭作用力。其中5,6,7,8-四羟基-2-(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)-5,6,7,8-四氢-4H-色原烯与靶标蛋白形成的氢键数目最多，分子对接效果最优。

本研究同时揭示了ACE2和3CLpro与不同成分结合的结合位点和关键氨基酸。沉香药用历史悠久，临床应用广泛，生物学和药理学研究表明，2-(2-苯乙基)色酮类化合物具有神经保护、抗炎等多种生物活性，具有广阔的药用前景和应用价值[18]。目前对于沉香的研究主要集中在沉香提取物及其药理方面，而对于沉香的单一成分及其药效研究较少。尤其是非挥发性成分在以往的研究中往往被忽略，这些化合物可能成为潜在抗SARS-CoV-2活性成分，值得进一步实验研究。

2.1 ACE2结合阻断剂筛选

分子对接筛选得到6种化学成分与ACE2结合效果较好(对接数据见表1)。分析其与ACE2的相互作用如图2，化合物与ACE2主要形成氢键、疏水、π-π共轭作用力；结合的关键氨基酸为Asn290、Ile291、Met366、Leu370、Ala413、Pro415、Phe438。以5,6,7,8-四羟基-2-(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)-5,6,7,8-四氢-4H-色原烯为例，具体分析其与ACE2的相互作用如图3，其羟基与Asn290和Gln442肽键形成氢键相互作用，其羰基氧与Lys441侧链氨基形成氢键相互作用；同时发现：5,6,7,8-四羟基-2-(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)-5,6,7,8-四氢-4H-色原烯较好地结合在ACE2活性位点形成的口袋中。理论数据表明5,6,7,8-四羟基-2-(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)-5,6,7,8-四氢-4H-色原烯可作为ACE2潜在的阻断剂。

表1 ACE2与结合最优的6个化合物的对接结果

:氢键作用力；：π-阳离子作用力；：π-π共轭作用力；：盐桥作用力；：疏水性；:非极性；：负电荷；：正电荷

：化合物;：非极性;：负电荷；：正电荷

2.2 3CLpro抑制剂筛选

分子对接筛选得到4种化学成分与3CLpro结合效果较好(对接数据见表2)。分析其与3CLpro的相互作用如图4，化合物与3CLpro主要形成氢键、疏水、π-π共轭作用力；结合的关键氨基酸为His41、Met49、Gln110、Gly143、Cys145、Asn151、Met165、Phe294。以5,6,7,8-四羟基-2-(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)-5,6,7,8-四氢-4H-色原烯为例，具体分析其与3CLpro的相互作用如图5，其羟基与Gln110、Asn151和Asp153肽键形成氢键相互作用，其芳香环与Phe294侧链苯环形成π-π共轭作用力；同时发现：5,6,7,8-四羟基-2-(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)-5,6,7,8-四氢-4H-色原烯较好地结合在3CLpro活性位点形成的口袋中。理论数据表明5,6,7,8-四羟基-2-(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)-5,6,7,8-四氢-4H-色原烯可作为3CLpro潜在的抑制剂。

表2 3CLpro与结合最优的4个化合物的对接结果

:氢键作用力；：π-阳离子作用力；：π-π共轭作用力；：盐桥作用力；：疏水性；:非极性；：负电荷；：正电荷

：化合物;：非极性;：负电荷；：正电荷

3 结论

本研究利用分子对接技术将ACE2、SARS-CoV-2的3CLpro分别与沉香中的活性成分进行对接，筛选与靶蛋白活性位点有良好结合力的ACE2结合阻断剂和3CLpro抑制剂。对接结果表明:6种化学成分与ACE2有较好的结合力，4种化学成分与3CLpro有较好的结合力。本研究快速高效地筛选出沉香中潜在抗SARS-CoV-2活性成分，通过以沉香小分子作为SARS-CoV-2潜在的阻断剂和抑制剂，为防治COVID-19新药的研发提供思路与方法。5,6,7,8-四羟基-2-(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)-5,6,7,8-四氢-4H-色原烯与ACE2的结合产生较好的阻断作用，同时对3CLpro也产生较好的抑制作用，具有潜在的抗SARS-CoV-2活性，可优选作为后续抗SARS-CoV-2药物的研究。本文是基于虚拟筛选得到的结果，具有一定的局限性，需要进行进一步的药效学研究。