MINIREVIEW: Mpro, la principale proteasi di SARS-CoV-2, e i suoi inibitori

Analisi della letteratura e traduzione di: Rocco Stirparo, Livia Tepshi; Revisionato: Valeria Montis, Giulia Poggi

Mpro è un enzima essenziale di SARS-CoV-2, che svolge un ruolo chiave nella replicazione e nella trascrizione virale, il che lo rende un attraente bersaglio farmacologico. Attualmente, non esistono terapie mirate contro SARS-CoV-2 e le opzioni terapeutiche efficaci rimangono molto limitate. Al fine di individuare rapidamente composti guida da impiegare contro SARS-CoV-2, gli autori di questa mini-review hanno eseguito diverse serie di screening virtuali, come la progettazione di farmaci assistita dalla loro composizione strutturale oppure screening virtuali massivi di farmaci, con lo scopo di identificare farmaci nuovi o esistenti che mirino alla proteasi principale del virus responsabile della CoViD-19.

Mpro è una proteasi cruciale di SARS-CoV-2, responsabile della replicazione e della trascrizione virale. Mpro ha tre domini: domini I (residui 8–101), II (residui 102–184) e III (residui 201–303). Mpro ha una diade catalitica Cys-His, e il sito di legame al substrato si trova in una fessura tra il Dominio I e II. La struttura cristallografica a raggi X di SARS-CoV-2 Mpro mostra che questa proteasi può trovarsi sia in stato monomerico che dimerico e solo quest’ultimo rappresenta il suo stato funzionale nel contesto biologico (Fig. 1).

Figura 1 - Struttura cristallografica della proteasi principale SARS-CoV-2  Mpro. (from: web)
Figura 1 – Struttura cristallografica della proteasi principale SARS-CoV-2 Mpro. (from: web)

I dati di cristallografia strutturale e di docking hanno dimostrato che l’inibitore N3, un accettore di Michael che agisce come un inibitore a meccanismo, può legarsi alla tasca legante il substrato della Mpro di SARS-CoV-2, che sembra essere altamente conservato tra tutte le Mpro deiCoV (MERS e SARS). La struttura del complesso formato dal legame di Mpro con N3 fornisce un modello per identificare gli inibitori guida più promettenti per colpire questa proteasi attraverso uno screening in silico.

Tramite uno screening virtuale, è stato trovato la Cinanserina, un antagonista del recettore 5-HT2A e 5-HT2C, il quale riuscirebbe ad adattarsi nella tasca legante il substrato di Mpro. Lo screening basato sul dosaggio FRET, eseguito su una banca dati di circa 10.000 composti (inclusi farmaci approvati, principi attivi candidati a sperimentazione clinica e prodotti naturali) suggerisce Ebselen come il più forte inibitore dell’attività di Mpro di SARS-CoV-2 [1]. Questo composto organoselenico presenta proprietà antinfiammatorie, antiossidanti e citoprotettive ed è attualmente in sperimentazione clinica di fase II per il trattamento dei disturbi bipolari e della perdita dell’udito.

Un altro screening computazionale di identificazione del ligando ha identificato il sito bersaglio di quattro farmacofori con attività potenziale contro la proteasi Mpro di SARS-CoV-2 (cioè OEW, Remdesivir, idrossiclorochina e N3) e lo ha usato per effettuare uno screening su 50.000 nuovi composti potenzialmente attivi dal database ZINC [2]. Le molecole più promettenti e recentemente identificate appartengono alle classi β-carbolina, Alcaloidi e Poliflavonoidi. Oltre ai ligandi noti, questi composti interagiscono con la diade Cys-His della tasca della proteasi e risultano quindi candidati idonei per essere testati in vitro e in vivo per applicazioni farmacologiche.

Le conoscenze precedentemente acquisite sulla struttura di Mpro dei Coronaviridae sono state utilizzate anche per escogitare approcci farmacologici contro il nuovo SARS-CoV-2. Infatti, è stato osservato che le conformazioni della struttura e del sito di legame delle Mpro dei Coronavirus sono conservate, nonostante la variazione di alcuni residui. Ciò consente di riutilizzare inibitori di proteasi virali già disponibili [3]. Joshi et al. hanno effettuato uno screening su una libreria di circa 7.100 molecole, inclusi i principi attivi presenti nelle medicine antitussive ayurvediche, sostanze fitochimiche antivirali e antivirali sintetici. Composti naturali come δ-Viniferina, Miricitrina, Taiwanhomoflavone A, Lattucopricrina, Nimbolide A, Biorobina e Fillaemblicina B hanno dimostrato di legare fortemente  Mpro di SARS-CoV-2 e di bersagliare anche RdRp e hACE-2.

Sono stati anche impiegati approcci di docking per riposizionare farmaci già disponibili in commercio. Le simulazioni MD accoppiate con l’approccio MM/GBSA hanno fornito nuove informazioni sull’efficienza di legame e sull’attività inibitoria di 15 farmaci approvati dalla FDA verso lo stato monomerico e dimerico di Mpro di SARS-CoV-2 [4]. Con questo approccio, Bello [4] ha rivelato le basi strutturali ed energetiche delle proprietà inibitorie di Lopinavir e Ritonavir e ha identificato nuovi inibitori (potenzialmente più efficaci) dello stato dimerico di  Mpro di SARS-CoV-2, vale a dire Perampanel, Praziquantel e Nelfinavir.

Inoltre, sono state riportate somiglianze strutturali tra la proteasi NS3/4A del virus dell’epatite C (HCV), la proteasi di HIV-1 e la proteasi Mpro di SARS-CoV2 (Fig. 2). Pertanto, gli inibitori della proteasi di HCV o di HIV-1 potrebbero adattarsi bene alla fessura del sito attivo della proteasi Mpro di SARS-CoV2 e mostrare un’attività inibitoria comparabile [5].

Infatti, le predizioni di docking virtuale e il confronto dei punteggi di docking ottenute con AutoDock indicano che 8 inibitori della proteasi di HCV (Nelfinavir, Saquinavir, Indinavir, Ritonavir, Darunavir, Tipranavir, Atazanavir, Lopinavir, Amprenavir) potrebbero effettivamente legarsi al sito attivo di Mpro di SARS-CoV-2.

Figure 2 -Strutture cristallizzate  a raggi X delle proteasi virali. A) SARS-CoV-2 Mpro, B) proteasi HCV NS3 / 4A, C) Proteasi HIV-1 (da: link)
Figure 2 -Strutture cristallizzate a raggi X delle proteasi virali. A) SARS-CoV-2 Mpro, B) proteasi HCV NS3 / 4A, C) Proteasi HIV-1 (da: link)

L’importanza funzionale di Mpro nel ciclo di vita virale, insieme all’assenza di omologhi strettamente correlati nell’uomo, identificano Mpro come un bersaglio promettente per la progettazione di farmaci antivirali e l’uso di farmaci riposizionati potrebbe essere valutato come una terapia contro CoViD-19.

Bibliografia:

[1] Jin Z, Du X, Xu Y, et al. Structure of Mpro from SARS-CoV-2 and discovery of its inhibitors. Nature. 2020;582(7811):289-293.

[2] Andrade, B.; Ghosh, P.; Barh, D.; Tiwari, S.; José Santana Silva, R.; Rodrigues de Assis Soares, W.; Silva Melo, T.; dos Santos Freitas, A.; González-Grande, P.; Sousa Palmeira, L.; Carlos Junior Alcantara, L.; Giovanetti, M.; Góes-Neto, A.; Ariston de Carvalho Azevedo, V. Computational Screening for Potential Drug Candidates Against SARS-CoV-2 Main Protease. Preprints 2020, 2020040003.

[3] Joshi R, Jagdale S, Bansode S, et al. Discovery of Multi-Target-Directed Ligands by Targeting Host-specific SARS-CoV-2’s Structurally Conserved Main Protease. Preprints.org; 2020.

[4] Martiniano Bello. Prediction of potential inhibitors of the dimeric SARS-CoV-2 main proteinase through the MM/GBSA approach, 06 April 2020, PREPRINT (Version 1).

[5] Bafna, Khushboo; Krug, Robert M.; Montelione, Gaetano (2020): Structural Similarity of SARS-CoV2 Mpro and HCV NS3/4A Proteases Suggests New Approaches for Identifying Existing Drugs Useful as COVID-19 Therapeutics. ChemRxiv. Preprint.

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