計算機如何輔助抗病毒藥物研發(fā)
作者：學CADD的蛋
我原以為，這依然會是一個尋常的寒假。
直到疫情的形勢愈發(fā)嚴峻。
對病毒各類蛋白的調(diào)研任務(wù)分配到遠在五湖四海的每個實驗室成員頭上。沒有瓶瓶罐罐，沒有五花八門的試劑，沒有昂貴精致的儀器。一臺能遠程連上服務(wù)器的電腦，這便是我所擁有的全部。
圖1. 藥物研發(fā)有時只需要一臺能連上服務(wù)器的筆記本（圖片來源：veer圖庫）
很多人以為，藥物的研發(fā)只有在穿著白大褂的實驗室里可以做。然而，隨著近十余年，各類理論方法、計算機硬件、及工業(yè)和學術(shù)專業(yè)軟件的發(fā)展與成熟，計算機輔助藥物設(shè)計（Computer-Aided Drug Design, CADD）的方法已日趨成熟，其應(yīng)用極大地加快了新藥研發(fā)的速度與效率，已成為現(xiàn)代藥物研發(fā)的常規(guī)方法之一[1]。
依賴于這樣的技術(shù)，即便我足不出戶，在家遠程工作，也能為尋找治療此次病毒感染的潛在藥物貢獻自己的力量。
尋找關(guān)鍵蛋白質(zhì)
蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是組成細菌、病毒及動植物的一切細胞、組織的重要成分。各類功能性蛋白質(zhì)在機體中各司其職，維系著整個機體的正常運轉(zhuǎn)。
以病毒為例，病毒是由核酸（DNA或RNA）與蛋白質(zhì)構(gòu)成的非細胞形態(tài)，介于生命體與非生命體之間，無法自我復(fù)制與繁殖，需要寄生在活的宿主細胞內(nèi)，依賴于宿主細胞的原料、能量供給與場所，完成自我的復(fù)制與釋放[2]。這一過程就好比一個A國的賣假鈔的罪犯（病毒），本身沒有印制A國貨幣的能力；但當他侵入B國的印鈔廠（宿主細胞）后，他就能調(diào)用B國工廠的所有資源，來印制A國的貨幣（病毒的核酸與蛋白）。
病毒的生命周期需要經(jīng)歷吸附、侵入、脫殼、生物合成、組裝和釋放等六大步驟[2]，病毒的各類功能性蛋白在這些步驟中分工明確、高度協(xié)作，從而才能完成從感染宿主細胞到復(fù)制病毒的整個周期。目前，研究人員已從新型冠狀病毒（2019-nCov）中分離出orf1ab, S, E, M, N等10條基因組序列，各自編碼相應(yīng)的病毒蛋白。
通過與同為冠狀病毒的SARS病毒類比，我們可以合理地推測出新型冠狀病毒基因編碼的各類蛋白質(zhì)的功能。舉例來講，如，orf1ab基因編碼orf1ab多聚蛋白，參與病毒RNA的轉(zhuǎn)錄與復(fù)制，并具有蛋白酶、甲基轉(zhuǎn)移酶等多個功能；S基因編碼冠狀病毒的表面糖蛋白，也稱為棘突蛋白（Spike Protein），通過與人體內(nèi)的ACE2蛋白質(zhì)結(jié)合，直接介導(dǎo)病毒對宿主細胞的感染及融合，這類蛋白如同日冕般分布在病毒的包膜上，“冠狀病毒”由此得名。這些功能性蛋白質(zhì)對病毒的感染與復(fù)制發(fā)揮著重要的作用，單獨或同時干擾其中的一個或多個蛋白質(zhì)的功能，抑制其活性，便能阻斷病毒感染宿主細胞或在宿主細胞內(nèi)自我復(fù)制的進程，從而起到治療的效果。
因此，一旦獲取了病毒蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，基于前期對其功能的了解，我們便能利用計算機輔助藥物設(shè)計的技術(shù)，針對性地尋找潛在的有效藥物。那么，這一過程是如何進行的呢？
魚與刀，鎖與鑰匙
若是“以貌取物”的話，在以“光滑彈嫩”為美的今天，蛋白質(zhì)表面坑坑洼洼，“長得”可實在不算漂亮?？汕∈沁@些坑坑洼洼的空腔，才是真正暗藏玄機的地方。
以SARS病毒orf1ab多聚蛋白中的一段，3C-like蛋白酶，也稱Mpro蛋白為例。這一蛋白主要負責將多聚蛋白水解為功能性的多肽，以發(fā)揮其各自的功能；就好比做魚的時候，用一把鋒利的刀把整條魚除鱗去臟，并分為魚頭、魚身、魚尾，分別預(yù)備燉湯、紅燒、清蒸一樣。這一蛋白酶的活性位點，就好比是這把菜刀的刀刃，就藏身于蛋白質(zhì)表面的空腔（口袋）中（圖2）。
圖2. 坑坑洼洼的SARS Mpro蛋白表面（白色）及其蛋白酶活性位點口袋（紅色圓圈），PDB編號2GX4[3]（圖片來源：PyMol作圖）
篩選或合成得到的具有生物活性的小分子可以很好地結(jié)合在這一活性位點的口袋中（圖3），從而抑制蛋白酶的活性，阻止其將多聚蛋白切割為功能性多肽，從而阻止這些多肽在后續(xù)病毒的復(fù)制和感染中發(fā)揮功能。就好比沒收了這把切魚的刀，或者在刀刃上套了一層使其鈍化的保護套，使其無法處理這條魚，從而無法進行后續(xù)的烹飪。
圖3. SARS Mpro蛋白表面（白色）及文獻報導(dǎo)的抑制劑（綠色棍狀），PDB編號2GX4[3]（圖片來源：PyMol作圖）
對每一個蛋白質(zhì)，尋找具有令人滿意的生物活性的分子的過程，就好比是面對一把精美絕倫的鎖，需要找到一把同樣精美絕倫的鑰匙，來與之緊密契合。而計算機輔助藥物設(shè)計所需要做的，就是以高效和低成本的方式，去找到這樣一把合理的鑰匙；即，基于對蛋白質(zhì)功能的前期了解，及對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析，通過計算的方式，評估各類分子在蛋白質(zhì)口袋中的結(jié)合強度和作用模式，從而篩選或設(shè)計出最有可能成為蛋白功能抑制劑（或激動劑）的分子。
計算機輔助藥物發(fā)現(xiàn)
不幸的是，盡管近年來相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展，但找到這樣一把精美絕倫的鑰匙絕非易事。一個新藥從研發(fā)到上市往往需要消耗數(shù)十年的時間和數(shù)以十億計的美金[4]。但好消息是，總有這樣幾把鎖長得有點像，其鑰匙可以通用，就像艾滋病蛋白酶的抑制劑可能可以作用于冠狀病毒的蛋白酶（如奈菲那韋和洛匹那韋），負責埃博拉或流感病毒RNA復(fù)制的RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase，RdRp）抑制劑可能可以作用于冠狀病毒的RdRp一樣（如法匹拉韋和瑞德西韋）[5]。
面對急性爆發(fā)的疫情，從已上市或已在臨床上的“老藥物”中尋找合適的分子顯然是相比從頭研發(fā)新的分子更具時間優(yōu)勢的策略。運用計算機輔助藥物設(shè)計，基于一種叫做分子對接（molecular docking）的技術(shù)進行虛擬篩選（virtual screening），我們可以模擬出每個“老藥”分子在病毒蛋白質(zhì)口袋中的結(jié)合構(gòu)象，通過打分函數(shù)、自由能計算等方式評估其理論上的結(jié)合強度，從而分析該分子成為潛在抑制劑的可能性。就好比當我們已知“鎖”的構(gòu)造時，運用這樣的技術(shù)，可以不必親自把每把鑰匙都在鎖孔里插一遍來尋找能開鎖的那把；通過計算機模擬分析的方式，篩選出最可能打開鎖的幾把鑰匙，而后只對這幾把鑰匙進行測試就可以了。
甚至于，利用同源模建（homology modeling）的技術(shù)，我們甚至可以不用知道當前病毒蛋白這把“鎖”的構(gòu)造，在僅有蛋白質(zhì)氨基酸序列的情況下，構(gòu)建出病毒蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可能的模型，從而提交虛擬篩選作業(yè)。盡管據(jù)早期的新聞報導(dǎo)，2019-nCov病毒和SARS病毒在基因組水平的相似度只有70%，但事實上，通過對病毒蛋白的序列比對可以發(fā)現(xiàn)，此次新型冠狀病毒的某些關(guān)鍵蛋白和SRAS病毒的氨基酸同源性能達到95%以上（例，圖4）。因此，依賴于蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（Protein Data Bank）中，早年研究SRAS病毒時獲得的SARS病毒蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，我們便可以構(gòu)建出合理的2019-nCov的相應(yīng)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
圖4. SARS與2019-nCov的Mpro蛋白氨基酸序列比對（圖片來源：BoxShade作圖）
因此，對急性爆發(fā)的疫情，當結(jié)構(gòu)生物學等基礎(chǔ)研究來不及跟上；當病毒毒性太大，實驗室條件受限、滿足生物安全要求的實驗室較少；或者當待測試分子過多，人員不足，成本過高時，計算機輔助的方式都不失為一種高效的策略，為活性分子的發(fā)現(xiàn)與機制探索提供寶貴的建議，從而為特效藥物的研發(fā)贏得寶貴的時間。
寫在最后的話
我自寒假的第三天開始在家參與此次新型冠狀病毒的相關(guān)工作，至今已過去約兩周的時間。無疑，在博士求學生涯即將結(jié)束的階段，這是我度過的最充實、也是最緊張的一個假期。
但正如前文所述，藥物研發(fā)，絕非易事。就像早先一些學者所說的“不管疾病有多嚴重，不管我們期待新藥和新疫苗的愿望是多么迫切，新藥和新疫苗開發(fā)的規(guī)律無法被逾越。”[6]藥物研發(fā)有其固有的規(guī)律，絕非人的意志可以轉(zhuǎn)移。盡管如前所述，現(xiàn)今已有多個藥物在進行臨床或臨床前研究[5]，但保護好自己不受感染依然是每個人的當務(wù)之急。
所幸相比17年前，我們現(xiàn)在有了天河，有了神威，用于蛋白體系模擬的算力早與當年不可同日而語，一個又一個課題組及科研工作者，毫不猶豫地犧牲了自己的休息時間參與此次攻關(guān)。
也許就像高中政治課本里所說的那樣吧：“道路是曲折的，前途是光明的！”
（2020年2月寫于等服務(wù)器計算結(jié)果的間隙）
參考資料:
1.Jorgensen, W. L., The many roles of computation in drug discovery. Science 2004, 303, 1813.
2.中科院微生物所, 科學大院, 入侵&反擊！病原體和人體的攻防戰(zhàn). https://mp.weixin.qq.com/s/Zh9-8C-hilrlKk8jrVo60g
3.Yang, S.; Chen, S. J.; Hsu, M. F.; et, al., Synthesis, crystal structure, structure-activity relationships, and antiviral activity of a potent SARS coronavirus 3CL protease inhibitor. J. Med. Chem. 2006, 49, 4971.
4.管麗，科學大院，新藥是如何從實驗室走向市場的？https://mp.weixin.qq.com/s/huwBvSKldeBp0TJBnKY_aQ
5.醫(yī)藥魔方, 醫(yī)藥魔方Info, 重磅！Remdesivir新型肺炎臨床試驗2月3日啟動！海正法匹拉韋緊急申報上市. https://mp.weixin.qq.com/s/Y4NaedCA5dBJoTo6ffILhg
6.王立銘, 賽先生, 新藥新疫苗，我們什么時候能等到？https://mp.weixin.qq.com/s/ceuUYGfP6lW_x0w9ziPbvA
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