Пептид SPB1 против COVID-19

ALM201 при онкологии
10.09.2020
Humanin. Нейро- и цитопротекторные свойства
02.10.2020

Пептид SBP1 – структурный фрагмент ангиотензинпревращающего фермента 2 человека (ACE2), который способен подавлять проникновение коронавируса SARS-CoV-2 внутрь клеток путем связывания с его активным белком-«шипом». В настоящее время SBP1 интенсивно изучается в качестве потенциального лекарства от инфекционного заболевания COVID-19, пандемия которого продолжается.

В России, как и во всем мире, продолжается пандемия коронавирусной инфекции COVID-19, вызываемой вирусом SARS-CoV-2; общее количество заболевших по всем странам, предоставляющим статистику заболеваемости для Всемирной организации здравоохранения, уже превысило 30 млн. человек, а умерших – более 950 тыс. [1]. Поиск эффективного лекарства против данного заболевания ведется многими исследовательскими группами в РФ и в других странах. Один из перспективных путей терапии COVID-19 – воспрепятствовать проникновению коронавируса внутрь клеток.

Главной точкой входа для коронавирусов, таких как SARS-CoV (возбудитель SARS), [2, 3], HCoV-NL63 [4], и SARS-CoV-2 (возбудитель COVID-19) [5]), внутрь клеток являетсятрансмембранный белок ACE2. ACE2 (ангиотензинпревращающий фермент 2, Angiotensin-converting enzyme 2, ACE2 человека – hACE2 [4] – это фермент, располагающийся на клеточных мембранах во многих органах тела: легких (преимущественно в секреторных альвеолярных клетках II типа, АК II), сердечно-сосудистой системы, кишечнике, почках и др. [6]. ACE2 снижает кровяное давление, путем расширения сосудов, что связано с вызываемым им гидролизом ангиотензина-II до ангиотензина(1-7) [7, 8]. ACE2 является цинксодержащим металлоферментом [9]. ACE2 представляет собой белок мембранный типа I, т. е., пронизывающий мембрану один раз, с расположением ферментативно активного N-конца на внеклеточной стороне [6]. Экспрессия ACE2 в клетках структурных элементов ЦНС обусловливает их восприимчивость к поражению вирусом SARS-CoV-2, которое приводит к аносмии (утрата обоняния) и дисгевзии (расстройства вкуса) во время протекания заболевания, что в настоящее время считается ключевыми симптомами COVID-19 [10, 11].

Наиболее значимым для попадания коронавирусов SARS-CoV и SARS-CoV-2 внутрь клетки является связывание с пептидной последовательностью spike-binding peptide 1 (SBP1) энзиматического домена ACE2, что ведет к образованию мембранных везикул и попаданию внешнего материала и перемещению вируса, наряду с ферментом, к ядру клетки (Рис. 1) [12-14]. SBP1 обладает молекулярной массой 2802 Да и включает 23 аминокислотных остатка: Ile-Glu-Glu-Gln-Ala-Lys-Thr-Phe-Leu-Asp-Lys-Phe-Asn-His-Glu-Ala-Glu-Asp-Leu-Phe-Tyr-Gln-Ser (IEEQAKTFLDKFNHEAEDLFYQS, что соответствует аминокислотным остаткам 21–43 α1-спирали человеческого ACE2 (hACE2). Для осуществления входа требуется также участие протеазы TMPRSS2, в настоящее время блокирование которой изучается как потенциальный терапевтический подход [15].

Рисунок 1 – Модель взаимодействия SBP1 и активного «шипа» SARS-CoV-2 (адаптировано из [14])

Атака вирусов по данному механизму делает возможным полагать, что уменьшение клеточной концентрации ACE2 будет способствовать терапии COVID-19. При этом известно, что ACE2 способен выступать в качестве защиты от индуцированного вирусом SARS-CoV-2 повреждения легких благодаря выработке ангиотензина(1-7), расширяющего сосуды [16]. Более того, как было показано на мышиных моделях, взаимодействие «шип»-белка вируса и ACE2 приводит к снижению содержания ACE2 в клетках, что обусловлено интернализацией и разрушением белка и, таким образом, может вызывать повреждение легких [16, 17].

Работы по исследованию взаимодействия SBP1 с вирусом SARS-CoV-2 сейчас интенсивно проводятся учеными лаборатории биомолекулярного ЯМР Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), Института цитологии Российской академии наук, а также Университета Цинхуа (Qinghua University, THU, Пекин, КНР) [18], причем в основе разработок лежат данные, полученные в Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology, MIT, Кембридж, Массачусетс, США) [14, 19]. Есть небезосновательное мнение, что способность пептида SBP1 блокировать белок-«шип» коронавируса без воздействия на прочие белки организма человека может обеспечить создание эффективного средства против COVID-19, предотвращающего проникновение SARS-CoV-2 в клетки. Поскольку SBP1 является структурным фрагментом hACE2 – «ворот» для проникновения, то возможные мутации коронавируса, влияющие на его «шип», не снизят действие SBP1, либо вирус потеряет способность атаковать hACE2. Также, SBP1 может оказаться полезным и против других коронавирусов, использующих аналогичный механизм проникновения. По словам сотрудников СПбГУ, связывание пептида SBP1 с «шипом» коронавируса незначительно слабее, чем с его последовательностью в нативном hACE2; кроме того, он не задействован в нормальных процессах организма человека [18]. Ученые высоко оценивают шансы предложенной стратегии. В подтверждение этого, можно привести ряд работ, которые обосновывают такой подход.

Например, в работе [20] авторы изучили действие hACE2, исследованный ранее и показавший свою безопасность [21], в виде растворимого рекомбинантного hrsACE2 по отношению к вирусу SARS-CoV-2в клеточной линии Vero E6. Коронавирус SARS-CoV-2 был выделен из образца больного с подтвержденным COVID-19, взятого из носоглотки. Органоиды почек и кровеносных сосудов и Vero E6 были инфицированы в дозировке 102, 104 и 106 инфекционных частиц. RsACE2 или мышиный растворимый рекомбинантный mrsACE2 были смешаны с различными концентрацией вируса в пропорции один к одному. Авторы обнаружили, что hrsACE-2 способен ингибировать вирус SARS-CoV-2 в клеточной линии Vero E6 дозозависимым образом. MrsACE2 не подавлял коронавирус. В дозе 100 мкг/мл hrsACE2 снижал титр вируса на 3–4 порядка. Очевидно, с учетом механизма проникновения SARS-CoV-2 в клетку, SBP1 также должен подавлять коронавирус. Кроме того, разработаны мутантные ACE2 с заменами Arg273Gln,Thr445Gly, Pro451Met, Gly448Trp [22]. Мутации снижают его ферментативную активность и, в некоторых случаях, повышают стабильность, не уменьшая способность связываться с SARS-CoV-2, что показано с помощью компьютерных расчетов и моделирования.

Ключевой работой является публикация ученых из Массачусетского технологического института, размещенная в свободном доступе в июне 2020 года [14]. Авторы продемонстрировали, что спираль α1 пептидазного домена ACE2 (PD) важна для связывания SARS-CoV-2-RBD с помощью моделирования молекулярной динамики сокристаллической структуры ACE2 и SARS-CoV-2-RBD [23]. Команда химически синтезировала упомянутый выше пептид SBP1 методом автоматизированного быстропоточного пептидного синтеза, наработав 20 мг вещества с чистотой >95% за 1,5 часа. Анализы кинетического связывания с использованием интерферометрии биослоя использовали для характеристики аффинности связывания пептидов и белков in vitro. Результаты показали, что SBP1 прочно связан с SARS-CoV-2-RBD с константой диссоциации (KD) 47 нМ, что сравнимо с таковой у полноразмерного hACE2 [24]. SBP1 является первым в своем классе пептидом, связывающим SARS-CoV-2-RBD, и может эффективно нарушать связывание SARS-CoV-2-RBD/ACE2, таким образом блокируя вхождение вируса внутрь клеток человека. Однако пептид еще необходимо тестировать на человеческих клетках и на животных моделях болезни COVID-19. Именно такие исследования и планируют осуществить российские ученые со своими зарубежными коллегами.

В заключении отметим, что и другие пептиды могут оказаться полезными в терапии COVID-19. Например, пептидmutant mucroporin-M1, аналог природного соединения из яда скорпиона Lychas mucronatus, способен деактивировать псевдовирус SARS-CoV, и относится к веществам-кандидатам для лечения коронавирусной инфекции [25]. Короткий пептид RBD-11b, фрагмент является рецептор-связывающего домена иммуноглобулина человека IgG1 in vitro блокирует заражение клеток Vero E6 коронавирусом SARS-CoV, ингибируя проникновение (титр вирусных частиц снижается в десять раз), и подавляет пролиферацию коронавируса NL63, оба из которых, подобно вирусу SARS-CoV-2, связывают АСЕ2 для проникновения внутрь клетки [26], что позволяет предположить возможность его применения аналогичным для SPB способом. Таким образом, различные пептиды обладают противовирусной активностью и требуют дальнейшего изучения как средства лечения пациентов с коронавирусной инфекцией COVID-19.

1.         Coronavirus disease (COVID-19) Week report. Data as received by WHO from national authorities, as of 10 am CEST 20 September 2020. 2020  [Access Date: 24.09.2020]; Available from: https://www.who.int/docs/default-source/coronaviruse/situation-reports/20200921-weekly-epi-update-6.pdf?sfvrsn=d9cf9496_6.

2.         Kuba, K., Imai, Y., Rao, S., Gao, H., Guo, F., Guan, B., Huan, Y., Yang, P., Zhang, Y., Deng, W., Bao, L., Zhang, B., Liu, G., Wang, Z., Chappell, M., Liu, Y., Zheng, D., Leibbrandt, A., Wada, T., Slutsky, A.S., Liu, D., Qin, C., Jiang, C., Penninger, J.M., A crucial role of angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) in SARS coronavirus–induced lung injury. Nature Medicine, 2005. 11(8): p. 875-879. DOI: 10.1038/nm1267.

3.         Ge, X.-Y., Li, J.-L., Yang, X.-L., Chmura, A.A., Zhu, G., Epstein, J.H., Mazet, J.K., Hu, B., Zhang, W., Peng, C., Zhang, Y.-J., Luo, C.-M., Tan, B., Wang, N., Zhu, Y., Crameri, G., Zhang, S.-Y., Wang, L.-F., Daszak, P., Shi, Z.-L., Isolation and characterization of a bat SARS-like coronavirus that uses the ACE2 receptor. Nature, 2013. 503(7477): p. 535-538. DOI: 10.1038/nature12711.

4.         NCBI. ACE2 angiotensin I converting enzyme 2 [Homo sapiens (human)]. 2020; Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/59272.

5.         Zhou, P., Yang, X.-L., Wang, X.-G., Hu, B., Zhang, L., Zhang, W., Si, H.-R., Zhu, Y., Li, B., Huang, C.-L., Chen, H.-D., Chen, J., Luo, Y., Guo, H., Jiang, R.-D., Liu, M.-Q., Chen, Y., Shen, X.-R., Wang, X., Zheng, X.-S., Zhao, K., Chen, Q.-J., Deng, F., Liu, L.-L., Yan, B., Zhan, F.-X., Wang, Y.-Y., Xiao, G., Shi, Z.-L., Discovery of a novel coronavirus associated with the recent pneumonia outbreak in humans and its potential bat origin. bioRxiv, 2020: p. 2020.2001.2022.914952. DOI: 10.1101/2020.01.22.914952.

6.         Hamming, I., Timens, W., Bulthuis, M.L.C., Lely, A.T., Navis, G.J., van Goor, H., Tissue distribution of ACE2 protein, the functional receptor for SARS coronavirus. A first step in understanding SARS pathogenesis. The Journal of Pathology, 2004. 203(2): p. 631-637. DOI: 10.1002/path.1570.

7.         Keidar, S., Kaplan, M., Gamliel-Lazarovich, A., ACE2 of the heart: From angiotensin I to angiotensin (1–7). Cardiovascular Research, 2007. 73(3): p. 463-469. DOI: 10.1016/j.cardiores.2006.09.006.

8.         Mascolo, A., Urbanek, K., De Angelis, A., Sessa, M., Scavone, C., Berrino, L., Rosano, G.M.C., Capuano, A., Rossi, F., Angiotensin II and angiotensin 1–7: which is their role in atrial fibrillation? Heart Failure Reviews, 2020. 25(2): p. 367-380. DOI: 10.1007/s10741-019-09837-7.

9.         Turner, A.J., Chapter 25 – ACE2 Cell Biology, Regulation, and Physiological Functions, in The Protective Arm of the Renin Angiotensin System (RAS), T. Unger, Steckelings, U.M., dos Santos, R.A.S., Editors. 2015, Academic Press: Boston. p. 185-189.

10.       Baig, A., Neurological manifestations in COVID-19 caused by SARS-CoV-2. CNS Neuroscience & Therapeutics, 2020. 26. DOI: 10.1111/cns.13372.

11.       Baig, A.M., Khaleeq, A., Ali, U., Syeda, H., Evidence of the COVID-19 Virus Targeting the CNS: Tissue Distribution, Host–Virus Interaction, and Proposed Neurotropic Mechanisms. ACS Chemical Neuroscience, 2020. 11(7): p. 995-998. DOI: 10.1021/acschemneuro.0c00122.

12.       Wang, H., Yang, P., Liu, K., Guo, F., Zhang, Y., Zhang, G., Jiang, C., SARS coronavirus entry into host cells through a novel clathrin- and caveolae-independent endocytic pathway. Cell Research, 2008. 18(2): p. 290-301. DOI: 10.1038/cr.2008.15.

13.       Millet, J.K., Whittaker, G.R., Physiological and molecular triggers for SARS-CoV membrane fusion and entry into host cells. Virology, 2018. 517: p. 3-8. DOI: https://doi.org/10.1016/j.virol.2017.12.015.

14.       Zhang, G., Pomplun, S., Loftis, A.R., Tan, X., Loas, A., Pentelute, B.L., Investigation of ACE2 N-terminal fragments binding to SARS-CoV-2 Spike RBD. bioRxiv, 2020: p. 2020.2003.2019.999318. DOI: 10.1101/2020.03.19.999318.

15.       Akhmerov, A., Marbán, E., COVID-19 and the Heart. Circulation Research, 2020. 126(10): p. 1443-1455. DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.120.317055.

16.       Imai, Y., Kuba, K., Penninger, J.M., The discovery of angiotensin-converting enzyme 2 and its role in acute lung injury in mice. Experimental Physiology, 2008. 93(5): p. 543-548. DOI: 10.1113/expphysiol.2007.040048.

17.       Jia, H., Pulmonary Angiotensin-Converting Enzyme 2 (ACE2) and Inflammatory Lung Disease. Shock, 2016. 46(3): p. 239-248. DOI: 10.1097/SHK.0000000000000633.

18.       Ученые СПбГУ исследуют пептид, потенциально способный заблокировать коронавирус. 2020; Available from: https://spbu.ru/news-events/novosti/uchenye-spbgu-issleduyut-peptid-potencialno-sposobnyy-zablokirovat-koronavirus.

19.       Trafton, A. An experimental peptide could block Covid-19. MIT News Office. 2020; Available from: https://news.mit.edu/2020/peptide-drug-block-covid-19-cells-0327.

20.       Monteil, V., Kwon, H., Prado, P., Hagelkrüys, A., Wimmer, R.A., Stahl, M., Leopoldi, A., Garreta, E., Hurtado del Pozo, C., Prosper, F., Romero, J.P., Wirnsberger, G., Zhang, H., Slutsky, A.S., Conder, R., Montserrat, N., Mirazimi, A., Penninger, J.M., Inhibition of SARS-CoV-2 Infections in Engineered Human Tissues Using Clinical-Grade Soluble Human ACE2. Cell, 2020. 181(4): p. 905-913.e907. DOI: 10.1016/j.cell.2020.04.004.

21.       Khan, A., Benthin, C., Zeno, B., Albertson, T.E., Boyd, J., Christie, J.D., Hall, R., Poirier, G., Ronco, J.J., Tidswell, M., Hardes, K., Powley, W.M., Wright, T.J., Siederer, S.K., Fairman, D.A., Lipson, D.A., Bayliffe, A.I., Lazaar, A.L., A pilot clinical trial of recombinant human angiotensin-converting enzyme 2 in acute respiratory distress syndrome. Critical Care, 2017. 21(1): p. 234. DOI: 10.1186/s13054-017-1823-x.

22.       Payandeh, Z., Rahbar, M.R., Jahangiri, A., Hashemi, Z.S., Zakeri, A., Jafarisani, M., Rasaee, M.J., Khalili, S., Design of an engineered ACE2 as a novel therapeutics against COVID-19. Journal of Theoretical Biology, 2020. 505: p. 110425. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2020.110425.

23.       Yan, R., Zhang, Y., Li, Y., Xia, L., Guo, Y., Zhou, Q., Structural basis for the recognition of SARS-CoV-2 by full-length human ACE2. Science, 2020. 367(6485): p. 1444. DOI: 10.1126/science.abb2762.

24.       Wrapp, D., Wang, N., Corbett, K.S., Goldsmith, J.A., Hsieh, C.-L., Abiona, O., Graham, B.S., McLellan, J.S., Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science (New York, N.Y.), 2020. 367(6483): p. 1260-1263. DOI: 10.1126/science.abb2507.

25.       Zhang, L., Liu, Y., Potential interventions for novel coronavirus in China: A systematic review. Journal of Medical Virology, 2020. 92(5): p. 479-490. DOI: 10.1002/jmv.25707.

26.       Struck, A.-W., Axmann, M., Pfefferle, S., Drosten, C., Meyer, B., A hexapeptide of the receptor-binding domain of SARS corona virus spike protein blocks viral entry into host cells via the human receptor ACE2. Antiviral Research, 2012. 94(3): p. 288-296. DOI: https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2011.12.012.