通过集成对接、分子动力学和密度泛函理论（DFT）研究，阐明苯并吡喃衍生物作为基孔肯雅病毒nsP2和nsP4抑制剂的结构-活性关系

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Elucidating structure-activity relationships of benzopyran derivatives as inhibitors of Chikungunya virus nsP2 and nsP4 via integrated docking, molecular dynamics, and DFT studies

　　

Jarmani Dansana|Swadhin Swaraj Acharya|Biswa Ranjan Meher

计算生物学与生物信息学实验室，贝汉普尔大学植物学系，贝汉普尔，奥里萨邦，760007，印度

摘要

基孔肯雅病毒（CHIKV）对公共卫生构成了重大威胁，目前尚无获批的抗病毒药物。该病毒的非结构蛋白nsP2（一种半胱氨酸蛋白酶）和nsP4（一种依赖RNA的RNA聚合酶）对病毒复制至关重要，因此是极具潜力的药物靶点。我们通过综合计算方法（包括分子对接、100 ns全原子分子动力学模拟、MM-GBSA结合自由能计算和DFT量子化学分析）评估了十五种苯并吡喃衍生物作为双重靶向抑制剂的效果。最终筛选出四种候选化合物：3b和3e针对nsP2（对接得分分别为-7.0和-6.4 kcal/mol；MM-GBSA ΔG分别为-19.02和-16.10 kcal/mol），以及3d和3o针对nsP4（对接得分分别为-7.2和-7.4 kcal/mol；MM-GBSA ΔG分别为-22.89和-17.63 kcal/mol）。这四种化合物在分子动力学稳定性方面均优于参考抑制剂。RMSD、RMSF和回转半径分析表明，配体结合能够减弱蛋白质构象波动并保持其结构完整性。DFT分析揭示了这些化合物的独特电子特性：3b和3d具有较高的亲电性指数（18.679和14.172 eV），有助于与催化残基发生电荷辅助相互作用；而3e和3o的HOMO-LUMO能隙较大（2.476和2.503 eV），表明它们在疏水结合环境中具有更好的热力学稳定性。其选择性源于电子特性的结合、与活性位点的几何互补性以及在分子动力学模拟过程中的动态稳定作用。苯并吡喃衍生物3b、3e、3d和3o是实验验证抗病毒效果的有希望的候选物，其独特的选择性特征使其能够针对性地抑制特定的病毒酶。这些发现为CHIKV治疗药物的优化提供了计算基础。

引言

基孔肯雅病毒（CHIKV）是一种引起类似关节炎症状的阿尔法病毒，主要由埃及伊蚊（Aedes aegypti）和白纹伊蚊（Aedes albopictus）传播。该病毒在热带和亚热带地区持续引发疫情，亚洲、非洲和美洲的暴发引起了全球关注，因为大量病例会发展成持续数月甚至数年的慢性关节疼痛[[1], [2], [3], [4]]。这种疾病带来了巨大负担，但目前尚无获批的疫苗或特异性抗病毒药物。医生只能缓解疼痛和发热等症状，这凸显了我们对有效治疗方法的迫切需求[5,6]。这一需求促使研究人员寻找能够靶向CHIKV复制关键蛋白的新分子。

CHIKV的复制依赖于四种非结构蛋白（nsP1–nsP4），其中nsP2和nsP4在复制过程中起关键作用，因此被认为是抗病毒药物的最佳靶点。图1展示了这两种蛋白及其活性位点的3D结构。nsP2具有多种催化功能：作为解旋酶解开RNA链，作为NTP酶和RNA三磷酸酶参与能量转换，以及作为半胱氨酸蛋白酶切割病毒多聚蛋白[7,8]。蛋白酶结构域有助于病毒多聚蛋白成熟为非结构蛋白，这是病毒复制的关键步骤。此外，nsP2通过干扰干扰素信号传导和宿主转录来抑制宿主的抗病毒防御机制，从而帮助病毒逃避免疫系统。因此，抑制nsP2可以同时破坏病毒多聚蛋白的加工和宿主免疫抑制。nsP4作为依赖RNA的RNA聚合酶（RdRp），负责合成基因组和亚基因组RNA，其含有保守的催化基序（如GDD三联体），对RNA链延长至关重要[9,10]。由于nsP4在病毒复制中起着核心且不可或缺的作用，抑制它可以直接阻断病毒基因组的合成。nsP2和nsP4共同构成了病毒复制酶复合体的核心，双重抑制这两种蛋白是干扰CHIKV复制多个阶段的有效策略。

苯并吡喃是一类含有氧原子的杂环化合物，常见于天然产物中，具有广泛的生物活性，包括抗炎、抗癌、抗病毒和神经保护作用[11]。在之前的研究中，我们报道了一种无需催化剂的绿色合成方法，所得苯并吡喃衍生物在分子对接实验中对CHIKV的nsP1、nsP2和nsP4表现出良好的结合亲和力[12]。这些发现以及苯并吡喃衍生物的药理活性促使我们采用综合计算方法进一步研究这些蛋白。通过分子对接、全原子分子动力学模拟、MM/GBSA结合自由能计算和基于DFT的量子化学研究，阐明了影响配体-蛋白相互作用的本质结构、动力学和电子特性。我们利用MD模拟（包括RMSD、RMSF、回转半径、氢键、PCA、自由能景观和DCCM）来评估复合物的稳定性和形状。此外，还进行了DFT模拟，以关联特定苯并吡喃衍生物的电子特性与其结合效能。这些发现为苯并吡喃骨架的双重抑制能力提供了分子层面的见解，并证实了它们作为针对CHIKV复制机制的多靶点抗病毒剂的潜力。

章节摘录

蛋白质制备

为了进行分子对接和分子动力学模拟，我们准备了CHIKV nsP2和nsP4的三维结构。nsP2蛋白酶的晶体结构来自RCSB蛋白质数据库（PDB ID：4ZTB）[13]。由于缺乏实验验证的结构，nsP4依赖RNA的RNA聚合酶（RdRp）结构是通过AlphaFold蛋白质结构数据库生成的。使用UCSF Chimera软件分析这些结构，以识别缺失的残基和空间冲突。

ADMET分析和药物相似性评估

ADMET分析表明，所有十五种苯并吡喃衍生物都具有适合抗病毒药物开发的良好理化、药代动力学和毒性特性（见补充表1–2）。它们的分子量介于318.34至362.35 g/mol之间；脂溶性（LogP：3.2–4.1）和TPSA（95.2–108.1 ?）表明其具有平衡的膜通透性和溶解性。所有化合物均符合Lipinski、Veber和Ghose规则（见补充图）。

结论

这项综合计算研究评估了苯并吡喃衍合物作为CHIKV关键复制酶nsP2和nsP4的双重抑制剂的效果。通过分子对接、100 ns分子动力学模拟、MM/GBSA结合自由能分析和DFT计算，系统地评估了配体-蛋白识别的结构、动力学和电子决定因素。四种候选化合物表现出不同的选择性：化合物3b和3e针对nsP2蛋白酶（对接得分……）

伦理声明

不适用。

资助

JD感谢印度政府大学拨款委员会（UGC）提供的NET JRF形式的财政支持（参考编号：221610161839）。SSA感谢印度新德里的CSIR提供的初级研究奖学金（JRF）。BRM得到了贝汉普尔大学种子基金（编号：3445/R&DC/BU/25）的资助。

CRediT作者贡献声明

Jarmani Dansana：概念构思、数据整理、形式分析、实验设计、方法学研究、软件开发、验证、数据可视化、初稿撰写。Swadhin Swaraj Acharya：形式分析、实验设计、方法学研究、软件开发、数据可视化。Biswa Ranjan Meher：概念构思、形式分析、资金获取、实验设计、项目管理、资源协调、软件开发、监督、修订与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢贝汉普尔大学为这项研究提供的基础设施支持。