Introduction
新型冠状病毒（COVID-19）作为一种流行病，具有较高感染率和死亡率，因此急需寻找抗病毒药物或营养补充剂作为潜在的严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）抑制剂。鲜味作为第5种基本味道，因可以增强食物的适口性已被广泛接受。鲜味物质包括游离氨基酸、核苷酸、肽、有机酸及其衍生物，它们除了呈鲜味外，还表现出多种功能特性，如抗氧化活性、增强食欲和饱腹感、修复味觉减退、改善饮食失调等。
为探讨鲜味物质是否具有抑制人血管紧张素转换酶2（hACE2）和SARS-CoV-2之间相互作用的潜力，上海交通大学农业与生物学院崔智勇博士生、王胜楠博士生（共同第一作者）、王文利副教授（通信作者）等首先通过计算机模拟筛选2 000 个鲜味分子（含有肽、核苷酸、有机酸及其衍生物），进一步利用分子对接探索受配体间相互作用规律，最后通过分子动力学模拟分析了潜在的相互作用机制。本研究可为设计和合成针对COVID-19的潜在抗病毒药物提供一个新视角。
Results
分子对接结果如图1A～C所示。结果可知，鲜味肽、核苷酸和有机酸及其衍生物与SARS-CoV-2（Omicron）S-RBD/hACE2蛋白结合得分良好（－4.2～－8.9 kcal/mol）。
研究进一步详细分析了4 种鲜味分子与SARS-CoV-2（Omicron）S-RBD/hACE2在达到体系平衡后50～100 ns的相互作用（图2）。由图2A～D可知，SARS-CoV-2 S-RBD/hACE2与鲜味分子结合时氨基酸残基的结合能分布。Asp405和Asp406的结合能较低（分别为－2.57、－2.48 kcal/mol），说明二者在蛋白质-配体结构的稳定性中发挥重要作用。由图2I～L可知，Glu37和Asp405/406通过疏水相互作用和氢键与F-IMP相互作用。如图2B所示，4 个残基（Ala387、Lys403、His34、Val417）表现出相对较高的负结合能（－0.57、－0.26、－0.24、－0.20 kcal/mol）。其中3 个在最后一帧中与DIP-IMP发挥疏水相互作用（图2J）。然而，由图2B可知，尽管Asp406表现出最高结合能（0.66
kcal/mol），但在最后一帧中与配体进行了疏水相互作用并形成氢键，这可能归因于动态模拟过程中残基与配体之间的动态结合。在动态模拟过程中（50~100 ns），Arg408与DP-IMP对接时表现出最低的结合能（－0.42 kcal/mol）（图2C）；然而，Asp405表现出更高的结合能值（0.36 kcal/mol）导致对蛋白质-配体结构稳定性产生不利影响。此外，Ala387具有疏水相互作用（图2K）。在SARS-CoV-2 S-RBD/hACE2和VPY的模拟期间，Gln388和Pro389由于其低结合能值（分别为－0.65、－0.43 kcal/mol）有助于保持配体-蛋白质结构稳定性，而Arg393则呈不利影响（0.22 kcal/mol）（图2D）。在复合物的相互作用模式中，所有残基（Arg393和Arg408）都与VPY具有疏水相互作用，并且Glu37和Asp405也与VPY的羟基形成氢键（图2L）。
此外，还分析了4 种鲜味分子与SARS-CoV-2 Omicron S-RBD/hACE2蛋白在动态平衡时的相互作用（图2E～H、M～P）。Asp30和Pro389由于其较低的结合能值（分别为－0.47、－0.67 kcal/mol），对F-IMP蛋白质结构稳定性产生更积极的影响，但Lys26因为高结合能（0.56 kcal/mol）对稳定性具有负面影响（图2E）。如图2F所示，SARS-CoV-2（Omicron）S-RBD/hACE2中的Lys353在与DIP-IMP的磷酸基团对接时呈现出最低的结合能值（－0.68 kcal/mol），其次是Ala387（－0.47 kcal/mol）和Pro389（－0.49 kcal/mol）在模拟期间对动态平衡过程中蛋白质-配体结构的稳定维持带来了积极的影响。在DP-IMP和SARS-CoV-2（Omicron）S-RBD/hACE2模拟的平衡过程中（图2G），在剩余配体-蛋白质结构稳定性中最重要的残基是Ala386，其负结合能值最高（－1.86 kcal/mol），其次是Ala387（－0.76 kcal/mol）。通过DP-IMP与Glu37、Ala387和Lys403相互作用形成另外3 个氢键，并且Ala386、Ala387、Glu37、Asp405和Tyr505残基产生疏水相互作用。在VPY和蛋白质动态模拟中（图2H），3 个连续残基（Ala387、Gln388和Pro389）呈高负结合能（分别为－0.52、－0.40、－0.56 kcal/mol）并与VPY形成舒适的疏水腔贴合。相反，Lys353和Lys403由于其高结合能得分（0.27、0.21 kcal/mol）对结构稳定性产生负面影响。由图2P可知，大部分VPY与Asn33、His34、Glu37、Ala387、Pro389、Val417、Lys403和Tyr453具有疏水相互作用，并且2 个残基（Glu37和Lys403）形成氢键。
使用HOMO， LUMO和MESP分析研究电荷转移反应中原子的电子特征。根据ESP，前3 个核酸衍生物的磷酸基附近有一个静电区域，而另一端是正电势区域；VPY的静电势相对平坦（图3A）。此外，VPY的能隙最大，为－5.71 eV（548.50 kJ/mol），表明其化学活性最高，其次是F-IMP为－2.84 eV（273.34 kJ/mol)。根据轨道图，上述2 种物质在碳环附近活性较高（图3B）。
Conclusion
本研究通过计算机模拟研究探索了鲜味分子潜在的SARS-CoV-2（Omicron）S-RBD抑制活性，并筛选出4 个具有潜力的鲜味分子。这些鲜味分子在分子对接中结合分数较低（＜－7 kcal/mol），主要与SARS-CoV-2（Omicron）S-RBD/hACE2蛋白形成氢键、疏水相互作用和盐桥。在这些鲜味分子内部，F-IMP、DIP-IMP、DP-IMP和VPY在分子动力学模拟过程中呈相对稳定的蛋白质配体结构。残基His34、Glu37和Asp406在维持配体-蛋白质结构稳定性方面具有积极作用。基于以上结果结合当前研究进展，可以推测这4 种鲜味分子有可能作为抗SARS-CoV-2（Omicron）S-RBD/hACE2相互作用的潜在口服生物活性剂。本研究为设计和合成潜在的抗病毒药物提供了新的视角，可以从食品风味（即鲜味）角度进行探索，而不是传统药物探索方式。然而，本研究仅基于一种快速对抗COVID-19的计算方法，因此，需要进行体外和体内实验最终确定和验证这些鲜味分子的效力。
王胜楠，上海交通大学农业与生物学院食品科学与工程专业2022级博士研究生。研究方向为食品风味感知。以第一作者发表SCI论文5 篇，参与国家自然科学基金等项目2 项。
通信作者
Potential of umami molecules against SARS-CoV-2 (Omicron) S-RBD/hACE2 interaction: an in-silico study
Abstract
Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) enter human cells by binding its spike protein receptor-binding domain (S-RBD) with human angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2). In the present work, a novel drug-exploring view (food taste: umami) to interfere SARS-CoV-2 S-RBD and one of its variants (Omicron) into human body was explored by an in-silico study. Their interfering interaction and potential mechanism have been illuminated: 1) 34 umami molecules presenting low binding score (< −7 kcal/mol) in molecular docking bonded with active residues of SARS-CoV-2 (Omicron) S-RBD/hACE2 protein by intermolecular interaction (hydrogen bond, hydrophobic interaction and salt bridge, mainly); 2) 4 umami molecules classified in nucleotides and peptides formed relatively stable protein-ligand contacts during molecular dynamic simulation; 3) 3 critical residues (His34, Glu37, and Asp406) remained positive effects in maintaining the ligand-protein structural stability. Taken together, these 4 umami molecules could be supportive as orally bioactive agents for preventing SARS-CoV-2 (Omicron) S-RBD/hACE2 interaction which needs further experimental assays to prove.
Reference:
文章翻译由作者团队提供
编辑：龚艺；责任编辑：孙勇
封面图片来源：摄图网
往期精彩
- 扫码关注我们 -
