针对VP14-精氨酸激酶的相互作用：一种用于防治黑虎虾（Penaeus monodon）白斑病的计算机模拟方法

《Letters in Drug Design & Discovery》：Targeting VP14-Arginine kinase interaction: An in-silico approach to combat white spot disease in black tiger shrimp ( Penaeus monodon)

本研究构建并验证了黑虎虾Arginine Kinase（PmAK）的三维结构，并通过分子对接分析其与WSSV VP14蛋白的相互作用机制，发现Esculin等化合物能有效抑制VP14与PmAK的结合，为抗白斑综合征病毒药物开发提供新策略。

　　白斑综合症病毒（WSSV）是一种对全球虾类养殖业构成严重威胁的病原体，其引起的白斑病（WSD）不仅导致大规模的虾类死亡，还造成了巨大的经济损失。自1990年代初首次发现以来，WSSV已在全球多个主要养殖地区传播，包括东亚、东南亚、印度、中东、美国和欧洲。这种病毒属于尼马病毒科（Nimaviridae）的白斑病毒属（Whispovirus），是一种双链DNA包膜椭球状病毒，主要感染多种虾类，包括对虾（Penaeus monodon）等重要经济物种。由于WSSV的高致病性和高死亡率，寻找有效的防控手段成为科研人员和养殖业者共同关注的焦点。

WSSV感染虾类后，会导致一系列严重的临床症状，如活动减少、食欲下降、外骨骼脱落以及特征性的白色斑点，最终可能导致90%以上的死亡率。已有研究表明，虾类宿主蛋白与WSSV包膜蛋白相互作用，是病毒进入宿主细胞、复制和引发疾病的重要环节。其中，精氨酸激酶（Arginine kinase, AK）被发现是WSSV感染过程中关键的宿主因子之一，特别是来自白对虾（Litopenaeus vannamei）的LvAK，与WSSV的包膜蛋白VP14相互作用，增强了病毒的感染能力和致病性。VP14是由开放阅读框ORF349编码的蛋白质，具有跨膜和信号肽结构域，被认为在病毒入侵过程中至关重要。

为了更深入地理解WSSV与宿主之间的相互作用机制，本研究通过计算生物学方法构建并验证了黑虎虾（Penaeus monodon）的精氨酸激酶（PmAK）的三维结构，并利用分子对接技术分析其与WSSV VP14的相互作用。此外，研究还筛选了潜在的抑制剂，以期找到能够阻断PmAK与VP14之间相互作用的化合物，从而降低病毒的感染力和致病性。本研究的成果不仅有助于揭示病毒致病机制，还为开发针对WSD的抗病毒药物提供了理论基础。

精氨酸激酶是一种在无脊椎动物中广泛存在的酶，其主要功能是催化精氨酸与ATP-Mg2?之间的可逆磷酸化反应，生成磷酸精氨酸（Phosphagen）和ADP-Mg2?。Phosphagen作为ATP的前体，在细胞内储存，并在需要能量时通过可逆催化作用生成ATP。这一过程在虾类的肌肉组织中尤为活跃，因为肌肉细胞中的精氨酸激酶含量最高，对维持虾类的生理和运动功能至关重要。然而，当WSSV感染虾类时，病毒可能利用宿主的精氨酸激酶系统来获取能量，从而促进其在宿主组织中的复制和扩散。

研究团队首先通过NCBI-BLAST平台对PmAK的序列进行了同源搜索，以寻找结构相似的模板蛋白。根据百分比同源性和查询覆盖率，筛选出五种具有高度相似性的模板蛋白，并利用SWISS-MODEL平台进行同源建模，生成PmAK的预测结构。随后，通过ERRAT、Verify 3D评分和Ramachandran图分析，对生成的结构模型进行了评估。其中，基于模板4BHL的模型（mod4BHL_A）表现出最低的RMSD值和最高的结构质量评分，因此被选定为最佳的PmAK结构模型。

在构建了PmAK的三维结构后，研究团队进一步利用I-TASSER平台对WSSV VP14进行了从头建模，并通过ModRefiner对结构进行了优化，以提高其稳定性。优化后的结构显示出更高的结构质量，主要表现在Ramachandran图中，大部分残基位于最有利的区域，而仅少数残基位于允许或不利区域。这种结构的稳定性为后续的分子对接分析提供了可靠的基础。

分子对接分析显示，PmAK与WSSV VP14之间存在显著的相互作用，包括22个氢键、229个非键相互作用和8个盐桥。这些相互作用不仅支持了病毒与宿主之间的结合，还可能促进病毒的进入和复制过程。此外，研究团队还评估了四种潜在的抑制剂（C2、C7、Esculin和Rhein）与WSSV VP14的结合能力。Esculin表现出最强的结合亲和力（-6.661 kcal/mol），主要通过氢键与VP14的Thr68、Glu71和Gln73相互作用，并结合π-烷基相互作用和多种范德华力相互作用，从而在病毒结合位点形成稳定的结合构型。相比之下，C2和C7表现出相近的结合亲和力（-6.393 kcal/mol和-6.354 kcal/mol），主要依赖于π-烷基相互作用和范德华力相互作用，而Rhein的结合亲和力较低（-6.177 kcal/mol），但其通过氢键、π-π堆积和π-阴离子相互作用与VP14结合，显示出一定的抗病毒潜力。

Esculin作为一种天然化合物，具有抗氧化和代谢物的功能，已被证明在体内实验中能够显著提高感染WSSV的虾类存活率，并有效降低病毒拷贝数。此外，C2和C7作为coumarin衍生物，也显示出良好的抗病毒效果，且具有化学稳定性、水溶性好、分子量低以及无显著毒性等优点，使其成为潜在的抗病毒药物候选。Rhein则因其在多种植物中的天然来源，以及其在调节宿主免疫反应和抑制病毒复制方面的潜力，也被视为一种有效的抑制剂。

本研究的成果不仅揭示了WSSV与宿主精氨酸激酶之间的分子相互作用机制，还为开发新型抗病毒药物提供了重要的理论依据。通过计算生物学方法，研究团队成功构建了PmAK的三维结构，并对其与WSSV VP14的结合模式进行了详细分析。同时，筛选出的四种抑制剂展示了不同的结合机制和潜在的抗病毒效果，其中Esculin因其强效的结合能力和较低的毒性，被认为是最具应用前景的候选药物。

研究还指出，将这些天然化合物应用于水产养殖中的抗病毒策略，不仅可以有效降低WSSV的感染率，还能够兼顾经济可行性和生态可持续性。此外，本研究的结果也与以往的抗病毒对接研究相一致，表明形成多种氢键和有利的疏水相互作用的化合物往往具有更强的抑制效果。例如，针对HIV蛋白酶的抑制剂，如Darunavir和Ritonavir，因其形成多个氢键和广泛的范德华力相互作用，显示出较高的结合亲和力。同样，针对SARS-CoV-2主要蛋白酶（Mpro）的抑制剂，也通过同时结合氢键和疏水残基，实现了更高的结合能量。

综上所述，本研究通过计算生物学手段，深入探讨了WSSV VP14与宿主精氨酸激酶之间的相互作用机制，并筛选出具有潜在抗病毒效果的化合物。这些发现不仅有助于理解病毒的致病过程，还为开发有效的抗病毒药物提供了重要的参考。此外，研究还强调了天然化合物在抗病毒药物开发中的重要性，为未来在水产养殖领域应用这些化合物提供了理论支持。