从武汉新型冠状病毒的发现到药物研究的最新进展

从病毒发现到靶向药物的研发

2019年12月12日,湖北省武汉市发现首例新型冠状病毒感染的肺炎患者。

2020年1月7日,研究人员在患者标本中首次检出新型冠状病毒。

2020 年 1 月 10 日,复旦大学成功破译武汉新型冠状病毒基因组,并将该病毒基因组信息共享在virologic.org网站和GenBank上(编号:MN908947)。该病毒测序由复旦大学生物医学研究院张永振教授领导的协作团队完成。全基因组序列下载地址:

http://virological.org/t/initial-genome-release-of-novel-coronavirus/319 

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/MN908947

2020年1月11日,Science杂志发表文章“Chinese researchers reveal draft genome of virus implicated in Wuhan pneumonia outbreak”对中国科研团队在应付全球公共卫生方面的付出表示感谢。 

从武汉新型冠状病毒的发现到药物研究的最新进展

图片来源 Science

2020年1月12日,世界卫生组织(WHO)定义了中国新发现的冠状病毒(Coronavirus, CoV),并命名为2019-nCoV,确定了人类历史上第7个可感染人的冠状病毒。

2020年1月21日,中国研究团队破解“武汉新型冠状病毒”的进化来源,在SCIENCE CHINA Life Sciences在线发表了题为 “Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhanoutbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission”的论文。由于武汉冠状病毒的进化邻居和外类群都在各类蝙蝠中有发现,推测武汉冠状病毒的自然宿主也可能是蝙蝠。通过武汉冠状病毒S-蛋白和人ACE2蛋白进行了结构对接研究,发现武汉新型冠状病毒的新结构与ACE2蛋白互作能力,由于丢失的少数氢键有所下降,但仍有很强的结合自由能(-50.6 kcal/mol)。这一结果说明武汉冠状病毒是通过S-蛋白与人ACE2互作的分子机制,来感染人的呼吸道上皮细胞。

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病毒进化分析

图片来源SCIENCE CHINA Life Sciences

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S蛋白-ACE2蛋白-蛋白对接示意图

图片来源SCIENCE CHINA Life Sciences

2020年1月24日,新英格兰医学杂志发表文章中国团队关于新型冠状病毒研究论文,通过对武汉新型肺炎患者的样本进行全基因组测序发现了一种从未见过的乙型冠状病毒属病毒。

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图片来源新英格兰医学杂志

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 图片来源新英格兰医学杂志

2020年1月23日,innophore 公司基于SARS的Mpro蛋白,利用同源模建技术构建了武汉新型冠状病毒的Mpro蛋白同源模建模型(https://innophore.com/2019-ncov/),在晶体结构未解析出来之前,提供基于结构药物设计的蛋白结构。

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武汉新型冠状病毒的Mpro蛋白同源模建模型

图片来源 https://innophore.com/2019-ncov/

2020年1月24日,柳叶刀在线发表有关2019新型冠状病毒研究的论文,《柳叶刀》及《柳叶刀-感染病学》同时推出“冠状病毒”专题(https://www.thelancet.com/coronavirus),包括两篇原创研究论文、两篇评论及一篇社论。北京中日友好医院曹彬及北京协和医院王建伟共同通讯的文章“Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China”, 文章统计了截至2020年1月2日确诊感染新型冠状病毒的41例患者的临床信息。 

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柳叶刀推出“冠状病毒”专题https://www.thelancet.com/coronavirus

图片来源 The LANCET 网站 

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图片来源 The LANCET

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图片来源 The LANCET

2020年1月25日,上海药物研究所联合上海科技大学利用虚拟筛选和酶学测试相结合的策略,针对已上市药物库以及他们自建的“高成药性化合物数据库”和“药用植物来源化合物成分数据库”进行了药物筛选,迅速发现了30种可能对2019-nCoV有治疗作用的药物、活性天然产物和中药。

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图片来源中国科学院上海药物研究所公众号

2020年1月26日,联合攻关团队及时公布由上海科技大学饶子和/杨海涛课题组测定的2019-nCoV冠状病毒3CL水解酶(Mpro)的高分率晶体结构。晶体结构已上传到PDB蛋白质结构数据库(PDB ID: 6LU7),以便有更多的科技工作者、特别是药物研发的科技人员使用。 

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图片来源中国科学院上海药物研究所公众号

研究靶点

目前3CLpro(Mpro)晶体结构已经解析,可以通过邮箱获得晶体结构,相信很多CADD人员已经开始基于这个晶体结构,利用基于结构的药物设计方法进行靶向3CLpro的药物设计。同时PLpro,RdRp,ACE2等靶点也成为大家关注的靶点开始研究。我们在接下来推文中将详细介绍冠状病毒治疗药物的研发策略。

冠状病毒简介

冠状病毒(Coronavirus, CoV)是自然界广泛存在一大类病毒家族。CoV为有包膜病毒,颗粒呈圆形或椭圆形,具有多形性,直径50~200nm。颗粒表面有棒状突起,使病毒表面看起来形如花冠,故而得名。病毒颗粒内部有核衣壳,为螺旋对称。之前已知的冠状病毒一共有6种,其中4种在人群中较为常见,致病性较低,一般为呼吸道症状,类似普通感冒;另外两种则是大家熟知的MERS病毒(Middle East respiratory syndrome,中东呼吸综合征)和SARS病毒(severe acute respiratory syndrome,严重急性呼吸综合征)。在分类学上,2019-nCoV属于网巢病毒目(Nidovirales)、冠状病毒科(Coronaviridae)、正冠状病毒亚科(Orthocoronaviridae)的Beta冠状病毒属(Betacoronavirus),同属中还包括SARSr CoV、MERSr CoV等其它可感染人类的冠状病毒。

CoV家族病毒基因组大小约27-30.7Kb,新发现的2019nCoV基因组长度为29.8Kb,为单股正链RNA,其5’端为甲基化帽子,3’端有多聚腺苷酸(PolyA)结构,可直接作为翻译模板,其基因组特征与哺乳动物相似。基因组进化和相似度分析显示其相似度和组成特征与蝙蝠来源的ZXC21和ZC45两株SARS样CoV更接近,进化树上与其位于一簇但形成独立分支,全基因组核苷酸相似度86.8%,与2003年人感染的SARSr-CoV差异较大,全基因组相似度为78.4%,但在聚合酶基因区域,2019nCoV与已知CoV的核苷酸相似度低于90%,为CoV新种的分类依据之一,提示该病毒为来自于蝙蝠的新种病毒。

2019-nCoV目前已发表的关键文献

(1)  Hui, D. S.; I Azhar, E.; Madani, T. A.; Ntoumi, F.; Kock, R.; Dar, O.; Ippolito, G.; Mchugh, T. D.; Memish, Z. A.; Drosten, C.; et al. The Continuing 2019-NCoV Epidemic Threat of Novel Coronaviruses to Global Health — The Latest 2019 Novel Coronavirus Outbreak in Wuhan, China. Int. J. Infect. Dis. 2020, 91, 264–266. https://doi.org/10.1016/j.ijid.2020.01.009.

(2)  Zhang, N.; Wang, L.; Deng, X.; Liang, R.; Su, M.; He, C.; Hu, L.; Su, Y.; Ren, J.; Yu, F.; et al. Recent Advances in the Detection of Respiratory Virus Infection in Humans. J. Med. Virol. 2020, jmv.25674. https://doi.org/10.1002/jmv.25674.

(3)  Huang, C.; Wang, Y.; Li, X.; Ren, L.; Zhao, J.; Hu, Y.; Zhang, L.; Fan, G.; Xu, J.; Gu, X.; et al. Clinical Features of Patients Infected with 2019 Novel Coronavirus in Wuhan, China. Lancet 2020, 6736 (20), 1–10. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30183-5.

(4)  Chan, J. F.; Yuan, S.; Kok, K.; To, K. K.; Chu, H.; Yang, J.; Xing, F.; Liu, J.; Yip, C. C.; Poon, R. W.; et al. Articles A Familial Cluster of Pneumonia Associated with the 2019 Novel Coronavirus Indicating Person-to-Person Transmission : A Study of a Family Cluster. Lancet 2020, 6736 (20), 1–10. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30154-9.

(5)  Ji, W.; Wang, W.; Zhao, X.; Zai, J.; Li, X. Homologous Recombination within the Spike Glycoprotein of the Newly Identified Coronavirus May Boost Cross-Species Transmission from Snake to Human. J. Med. Virol. 2020. https://doi.org/10.1002/jmv.25682.

(6)  Chen, Y.; Liu, Q.; Guo, D. Coronaviruses: Genome Structure, Replication, and Pathogenesis. J. Med. Virol. 2020, 0–2. https://doi.org/10.1002/jmv.25681.

(7)  Lu, H.; Stratton, C. W.; Tang, Y. Outbreak of Pneumonia of Unknown Etiology in Wuhan China: The Mystery and the Miracle. J. Med. Virol. 2020, jmv.25678. https://doi.org/10.1002/jmv.25678.

(8)  Zhu, N.; Zhang, D.; Wang, W.; Li, X.; Yang, B.; Song, J.; Zhao, X.; Huang, B.; Shi, W.; Lu, R.; et al. A Novel Coronavirus from Patients with Pneumonia in China, 2019. N. Engl. J. Med. 2020, NEJMoa2001017. https://doi.org/10.1056/NEJMoa2001017.

(9)  Zumla, A.; Chan, J. F. W.; Azhar, E. I.; Hui, D. S. C.; Yuen, K. Y. Coronaviruses-Drug Discovery and Therapeutic Options. Nat. Rev. Drug Discov. 2016, 15 (5), 327–347. https://doi.org/10.1038/nrd.2015.37.

(10)  Xu, X.; Chen, P. Evolution of the Novel Coronavirus from the Ongoing Wuhan Outbreak and Modeling of Its Spike Protein for Risk of Human Transmission. Sci. China Life Sci. 2020. https://doi.org/10.1007/s11427-020-1637-5.

(11)  Genomic and Protein Structure Modelling Analysis Depicts the Origin and Infectivity of 2019-NCoV, a New Coronavirus Which Caused a Pneumonia Outbreak in Wuhan, China. 2020, 1–14. https://doi.org/10.1101/2020.01.20.913368.