ACS Cent. Sci.附封面：蔡健峰和姜世勃/陆路团队利用γ-AA拟肽模拟HR2研发泛冠状病毒融合抑制剂

由于新型冠状病毒SARS-CoV-2引起的新型冠状病毒感染（COVID-19）疫情大流行，已造成将近七亿人次感染和七百多万人的死亡。在过去的二十年里，还爆发过其他两次高致病性冠状病毒感染疫情，包括2002年的非典肺炎（SARS）疫情，2012年的中东呼吸综合征（MRES）疫情。由于缺乏有效的药物，每一次疫情的爆发对人类财产和生活都造成了巨大的伤害。目前虽然有一些疫苗、抗体和小分子药物已获批紧急使用，但快速出现的变异毒株伴有明显的抗药性，使其效果大大减弱。因此，研发具有抗药性且有口服性的稳定的广谱抗病毒药物就显得尤为重要。复旦大学姜世勃/陆路团队之前发现在S蛋白上位于S2 亚单位的HR1和HR2相互作用，形成一个六聚体。六聚体的形成会把病毒膜和细胞膜拉在一起发生融合，病毒的基因就会进入靶细胞内进行复制。如果可以研发出一种多肽分子抑制这种六聚体的形成就可以成功地阻止病毒的融合、进入和复制。最近报道的很多融合抑制剂，例如EK1、EKC4还有 [SARS_HRC-PEG₄]₂-chol，都基于此原理。然而，这些活性肽由于其典型的氨基酸链而具有本质上较低的生物稳定性和生物利用度，这导致它们的半衰期较短，这使得它们难以用作口服药物。因此，研究具有口服性且稳定的新冠病毒融合抑制剂可以弥补上述多肽的不足。拟肽折叠体具有稳定的和可预测的结构、显著提高的抗蛋白降解能力、结构修饰多样化以及具有模仿生物分子的多功能性等优点，导致其具有长半衰期和口服利用度的潜力。

美国南佛罗里达大学蔡健峰教授团队一直致力于基于磺基-γ-AA 的螺旋拟肽的研究和应用（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 9916; PNAS, 2019, 116, 10757; Sci. Adv., 2020, 6, eaaz4988; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1; J. Med. Chem. 2023, 66, 1, 491）。这类新型拟肽非常稳定并且可以引入理论上无数的官能团，更重要的它可以折叠成和α-helix非常相近的构象（图1）。基于这个骨架，蔡健峰研究团队设计了一系列磺基γ-AA 螺旋拟肽，发现它们可以有效地模拟新冠病毒S蛋白S2亚单位HR2结构域上的疏水的关键结合位点，并且有效的抑制新冠病毒的感染（图2）。

图1. Sulfono-γ-AApeptides的化学和晶体结构. A. L-Sulfono-γ-AApeptides的化学结构. a和b 分别表示building block 的手性侧链和sulfonamido 侧链. B. Sulfono-γ-AApeptide的晶体结构; C. B的俯视图。D. D-Sulfono-γ-AApeptides的化学结构. a和b 分别表示building block 的手性侧链和sulfonamido 侧链. E. Sulfono-γ-AApeptide的晶体结构; F. E的俯视图。G-H. sulfono-γ-AApeptides的侧链分布示意图。G. 侧视图; F. 俯视图

通过合理的设计，用某一侧手性氨基酸去模拟HR2的疏水基团，另外两侧引入了带有正电荷和负电荷的基团，让他们形成多个分子内盐桥，使其结构更稳定，水溶性更好（图2）。为了得到更好的活性，该团队和姜世勃/陆路团队在其C端连接胆固醇分子，后来发现其中XY4-C7的活性比原来XY4具有更高的抑制活性。XY4-C7在细胞层面上能有效的抑制SARS-CoV-2假病毒和真病毒的感染，以及SARS-CoV-2 Delta 变异病毒的真病毒感染。并且能够有效地抑制4种HCoV以及1种蝙蝠 SARSr-CoV WIV1假病毒感染。根据机制研究的结果，XY4-C7可以强有力的和HR1结合从而抑制HR1/HR2六聚体结构的形成来阻止新冠病毒的感染（图3）。此外，体内研究表明，在受到 HCoV-OC43 感染之前或之后，通过滴鼻给药的XY-C7可有效保护小鼠免受感染。更重要的是，XY4-C7 不仅在体外表现出对蛋白水解酶或人血清的完全抗性，而且在体内表现出显著的持久性、极长的半衰期（超过 24 小时）和极具潜力的口服生物利用度。

图2. 基于磺酰基-γ-AA肽的融合抑制剂的合理设计。A. HR2（白色）。B. 磺酰基-γ-AA 肽模拟物 XY4（绿色）。C. A. 和 B. 之间关键残基的叠加。D. B的俯视图，带有极性侧链和关键的疏水残基。E. XY4（绿色）与HR2（白色）关键残基叠加在 HR1 的结合表面上。

综上所述，作者报道了一系列非天然螺旋折叠体sulfono-γ-AApeptides去模拟HR2的结构和功能。经过验证，我们发现最有效化合物 XY4-C7 是一种高效的泛冠状病毒融合抑制剂。此外，它在 PAMPA 和 PK 测试（口服和注射给药）中均显示出良好的 PK 特性。因此， XY4-C7 可以进一步开发为具有口服潜力的新型抗 HCoV 药物，并且将 XY4-C7 与其他具有不同作用机制的抗病毒药物联合使用可能具有协同抗病毒作用，从而形成一种可治疗 SARS-CoV-2 和其他 HCoV 感染的新型鸡尾酒疗法。总的来说，我们相信这项工作可以扩展到使用磺酰基-γ-AA 肽开发不同的抗病毒药物，以及用于调节数以千计的其他蛋白-蛋白相互作用。

图3. SARS-CoV-2的S蛋白介导的融合过程和磺酰基-γ-AA肽抑制SARS-CoV-2感染的机制。

该工作最近在ACS Central Science （IF = 18.728）上发表并被选为补充封面，南佛罗里达博士研究生薛淞乙和复旦大学徐巍青年副研究员为文章的共同第一作者，南佛罗里达大学蔡健峰教授、复旦大学姜世勃教授、陆路研究员和徐巍青年副研究员为文章的共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

An HR2-Mimicking Sulfonyl-γ-AApeptide Is a Potent Pan-coronavirus Fusion Inhibitor with Strong Blood–Brain Barrier Permeability, Long Half-Life, and Promising Oral Bioavailability

Songyi Xue, Wei Xu*, Lei Wang, Xinling Wang, Qianyu Duan, Laurent Calcul, Shaohui Wang, Wenqi Liu, Xingmin Sun, Lu Lu*, Shibo Jiang*, and Jianfeng Cai*

ACS Cent. Sci., 2023, DOI: 10.1021/acscentsci.3c00313

导师介绍

姜世勃

https://www.x-mol.com/university/faculty/188425 

蔡健峰

https://www.x-mol.com/university/faculty/47852