Цілеспрямований структурний дизайн молекулярних скаффолдів для дуальних пептидоміметичних інгібіторів протеаз SARS-CoV-2 MPRO та PLPRO

Автор(и)

  • Лариса Валентинівна Євсєєва Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Україна https://orcid.org/0000-0002-8427-7036
  • Олександр Васильович Кириченко Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Україна http://orcid.org/0000-0002-6223-0990
  • Павло Вікторович Тростянко Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Україна https://orcid.org/0000-0002-1333-9375
  • Володимир Венедиктович Іванов Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Україна https://orcid.org/0000-0003-2297-9048
  • Сергій Миколайович Коваленко Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Україна https://orcid.org/0000-0003-2222-8180
  • Олег Миколайович Калугін Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Україна https://orcid.org/0000-0003-3273-9259

DOI:

https://doi.org/10.15587/2519-4852.2025.337951

Ключові слова:

SARS-CoV-2, протеаза Mpro, протеаза PLpro, пептидоміметики, дуальні інгібітори, молекулярний докінг

Анотація

Дві протеази SARS-CoV-2 коронавірусу – головна протеаза (Mpro або 3CLpro) та папаїн-подібна протеаза (PLpro) – є ключовими ферментами, необхідними для успішної реплікації вірусу в клітинах. Обидві протеази стали головними мішенями для розробки лікарських засобів проти SARS-CoV-2. Перспектива досягнення подвійного інгібуючого ефекту викликає значний інтерес до створення подвійних інгібіторів, як комплексних терапевтичних засобів проти SARS-CoV-2. У цій статті ми описуємо розробку і оцінку in silico серії нових пептидоміметичних молекул, розроблених як інгібітори подвійної дії Mpro та PLpro SARS-CoV-2, та їх синтез. Ми застосували комбінований підхід, який розпочався з розробки базової молекулярної моделі, що враховувала субстратну специфічність активного центру кожної протеази. Раціональний дизайн in silico привів до створення ряду пептидоміметиків. Подальший аналіз зв'язування цих сполук з активними центрами обох протеаз дозволив ідентифікувати низку нових структурних хітів, зокрема гідантоїнових похідних, як потенційних подвійних інгібіторів Mpro та PLpro.

Мета дослідження. Це дослідження спрямоване на визначення спільного молекулярного каркасу для структурного дизайну інгібіторів подвійної дії проти протеаз SARS-CoV-2 Mpro та PLpro. Дослідження включає рецептор-орієнтований молекулярний докінг, оптимізацію in silico, вибір та синтез найбільш активних структур-кандидатів для подальших експериментальних досліджень in vitro.

Матеріали та методи. Програмне забезпечення LigandScout 4.5 для 3D-фармакофорного аналізу, візуалізації та молекулярного докінгу, інструменти AutoDock Vina 1.1 для молекулярного докінгу. Веб-сервери PLIP (Protein-Ligand Interaction Profiler) для вивчення механізмів молекулярного зв'язування. Програмне забезпечення DataWarrior 6.0 для створення бібліотеки молекулярних структур, розрахунків фізико-хімічних властивостей та аналізу молекулярних каркасів. Веб-сервери SwissADME для прогнозування параметрів ADME, фармакокінетичних властивостей малих молекул у якості лікарських засобів.

Результати. Аналіз субстратної специфічності сайтів зв'язування протеаз Mpro і PLpro дозволив ідентифікувати спільну амінокислотну послідовність, яка включає загальні елементи розпізнавання для кожної протеази. Шляхом раціональній модифікації функціональних груп у цій початковій базовій структурі, використовуючи принцип ізостеричної заміни та застосовуючи некласичні біоізостери, ми розробили серію пептидоміметичних каркасів. Молекулярний докінг, проведений в активних центрах як Mpro, так і PLpro, у поєднанні з оцінкою відповідних показників енергії зв'язування (ккал/моль), виявив кілька структур, що демонструють потенціал для подвійного інгібування. Серед них похідні гідантоїну продемонстрували найсильнішу спорідненість зв'язування з активними центрами обох протеаз.

Висновки. Визначено перспективні базові пептидоміметичні молекулярні структури, що показали in silico подвійну інгібуючу активність проти протеаз SARS-CoV-2. Нами ідентифіковано новий клас гідантоїнових похідних як інгібіторів як Mpro, так і PLpro SARS-CoV-2. Розроблені методи синтезу дозволили успішно отримати ці сполуки для подальших досліджень in vitro

Спонсор дослідження

  • Grant No. 96/0062 (2021.01/0062) “Molecular design, synthesis and screening of new potential antiviral pharmaceutical ingredients for the treatment of infectious diseases COVID-19” from the National Research Foundation of Ukraine

Біографії авторів

Лариса Валентинівна Євсєєва, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Старший викладач

Навчально-науковий інститут хімії

Олександр Васильович Кириченко, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Доктор хімічних наук, завідувач кафедри

Навчально-науковий інститут хімії

Павло Вікторович Тростянко, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Аспірант

Навчально-науковий інститут хімії

Володимир Венедиктович Іванов, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Доктор хімічних наук, професор

Навчально-науковий інститут хімії

Сергій Миколайович Коваленко, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Доктор хімічних наук, професор

Education and Research Institute of Chemistry

Олег Миколайович Калугін, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Доктор хімічних наук, професор

Навчально-науковий інститут хімії

Посилання

  1. Yevsieieva, L. V., Lohachova, K. O., Kyrychenko, A., Kovalenko, S. M., Ivanov, V. V., Kalugin, O. N. (2023). Main and papain-like proteases as prospective targets for pharmacological treatment of coronavirus SARS-CoV-2. RSC Advances, 13 (50), 35500–35524. https://doi.org/10.1039/d3ra06479d
  2. Capasso, C., Nocentini, A., Supuran, C. T. (2020). Protease inhibitors targeting the main protease and papain-like protease of coronaviruses. Expert Opinion on Therapeutic Patents, 31 (4), 309–324. https://doi.org/10.1080/13543776.2021.1857726
  3. Wang, Y., Xu, B., Ma, S., Wang, H., Shang, L., Zhu, C., Ye, S. (2022). Discovery of SARS-CoV-2 3CLPro Peptidomimetic Inhibitors through the Catalytic Dyad Histidine-Specific Protein-Ligand Interactions. International Journal of Molecular Sciences, 23 (4), 2392. https://doi.org/10.3390/ijms23042392
  4. Kerti, L., Frecer, V. (2024). Design of inhibitors of SARS-CoV-2 papain-like protease deriving from GRL0617: Structure–activity relationships. Bioorganic & Medicinal Chemistry, 113, 117909. https://doi.org/10.1016/j.bmc.2024.117909
  5. Lohachova, K. O., Kyrychenko, A., Kalugin, O. N. (2025). Benchmarking biomolecular force fields for molecular dynamics simulations of native fold and enzymatic activity of SARS-CoV-2 papain-like protease. Heliyon, 11 (12), e43578. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2025.e43578
  6. Garnsey, M. R., Robinson, M. C., Nguyen, L. T., Cardin, R., Tillotson, J., Mashalidis, E. et al. (2024). Discovery of SARS-CoV-2 papain-like protease (PLpro) inhibitors with efficacy in a murine infection model. bioRxiv. https://doi.org/10.1101/2024.01.26.577395
  7. Yevsieieva, L., Trostianko, P., Kyrychenko, A., Ivanov, V., Kovalenko, S., Kalugin, O. (2024). Design of non-covalent dual-acting inhibitors for proteases MPRO and PLPRO of coronavirus SARS-CoV-2 through evolutionary library generation, pharmacophore profile matching, and molecular docking calculations. ScienceRise: Pharmaceutical Science, 6 (52), 15–26. https://doi.org/10.15587/2519-4852.2024.313808
  8. Ma, C., Sacco, M. D., Xia, Z., Lambrinidis, G., Townsend, J. A., Hu, Y. et al. (2021). Discovery of SARS-CoV-2 Papain-like Protease Inhibitors through a Combination of High-Throughput Screening and a FlipGFP-Based Reporter Assay. ACS Central Science, 7 (7), 1245–1260. https://doi.org/10.1021/acscentsci.1c00519
  9. Lucas, S. C. C., Blackwell, J. H., Hewitt, S. H., Semple, H., Whitehurst, B. C., Xu, H. (2024). Covalent hits and where to find them. SLAS Discovery, 29 (3), 100142. https://doi.org/10.1016/j.slasd.2024.01.003
  10. Ivanov, V., Lohachova, K., Kolesnik, Y., Zakharov, A., Yevsieieva, L., Kyrychenko, A. et al. (2023). Recent advances in computational drug discovery for therapy against coronavirus SARS-CoV-2. ScienceRise: Pharmaceutical Science, 6 (46), 4–24. https://doi.org/10.15587/2519-4852.2023.290318
  11. Zhang, L., Lin, D., Sun, X., Curth, U., Drosten, C., Sauerhering, L. et al. (2020). Crystal structure of SARS-CoV-2 main protease provides a basis for design of improved α-ketoamide inhibitors. Science, 368 (6489), 409–412. https://doi.org/10.1126/science.abb3405
  12. Xia, Z., Sacco, M., Hu, Y., Ma, C., Meng, X., Zhang, F. et al. (2021). Rational Design of Hybrid SARS-CoV-2 Main Protease Inhibitors Guided by the Superimposed Cocrystal Structures with the Peptidomimetic Inhibitors GC-376, Telaprevir, and Boceprevir. ACS Pharmacology & Translational Science, 4 (4), 1408–1421. https://doi.org/10.1021/acsptsci.1c00099
  13. Citarella, A., Scala, A., Piperno, A., Micale, N. (2021). SARS-CoV-2 Mpro: A Potential Target for Peptidomimetics and Small-Molecule Inhibitors. Biomolecules, 11 (4), 607. https://doi.org/10.3390/biom11040607
  14. Bege, M., Borbás, A. (2024). The Design, Synthesis and Mechanism of Action of Paxlovid, a Protease Inhibitor Drug Combination for the Treatment of COVID-19. Pharmaceutics, 16 (2), 217. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics16020217
  15. Lohachova, K. O., Sviatenko, A. S., Kyrychenko, A., Ivanov, V. V., Langer, T., Kovalenko, S. M., Kalugin, O. N. (2024). Computer-aided drug design of novel nirmatrelvir analogs inhibiting main protease of Coronavirus SARS-CoV-2. Journal of Applied Pharmaceutical Science, 14 (5), 232–239. https://doi.org/10.7324/japs.2024.158114
  16. Arafet, K., Serrano-Aparicio, N., Lodola, A., Mulholland, A. J., González, F. V., Świderek, K., Moliner, V. (2021). Mechanism of inhibition of SARS-CoV-2 Mpro by N3 peptidyl Michael acceptor explained by QM/MM simulations and design of new derivatives with tunable chemical reactivity. Chemical Science, 12 (4), 1433–1444. https://doi.org/10.1039/d0sc06195f
  17. Bauer, R. A. (2015). Covalent inhibitors in drug discovery: from accidental discoveries to avoided liabilities and designed therapies. Drug Discovery Today, 20 (9), 1061–1073. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2015.05.005
  18. Singh, J., Petter, R. C., Baillie, T. A., Whitty, A. (2011). The resurgence of covalent drugs. Nature Reviews Drug Discovery, 10 (4), 307–317. https://doi.org/10.1038/nrd3410
  19. Schaefer, D., Cheng, X. (2023). Recent Advances in Covalent Drug Discovery. Pharmaceuticals, 16 (5), 663. https://doi.org/10.3390/ph16050663
  20. Hu, Y., Ma, C., Szeto, T., Hurst, B., Tarbet, B., Wang, J. (2021). Boceprevir, Calpain Inhibitors II and XII, and GC-376 Have Broad-Spectrum Antiviral Activity against Coronaviruses. ACS Infectious Diseases, 7 (3), 586–597. https://doi.org/10.1021/acsinfecdis.0c00761
  21. Kneller, D. W., Li, H., Phillips, G., Weiss, K. L., Zhang, Q., Arnould, M. A. et al. (2022). Covalent narlaprevir- and boceprevir-derived hybrid inhibitors of SARS-CoV-2 main protease. Nature Communications, 13 (1), 2268. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29915-z
  22. Joyce, R. P., Hu, V. W., Wang, J. (2022). The history, mechanism, and perspectives of nirmatrelvir (PF-07321332): an orally bioavailable main protease inhibitor used in combination with ritonavir to reduce COVID-19-related hospitalizations. Medicinal Chemistry Research, 31 (10), 1637–1646. https://doi.org/10.1007/s00044-022-02951-6
  23. Tan, H., Hu, Y., Jadhav, P., Tan, B., Wang, J. (2022). Progress and Challenges in Targeting the SARS-CoV-2 Papain-like Protease. Journal of Medicinal Chemistry, 65 (11), 7561–7580. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.2c00303
  24. Osipiuk, J., Azizi, S.-A., Dvorkin, S., Endres, M., Jedrzejczak, R., Jones, K. A. et al. (2021). Structure of papain-like protease from SARS-CoV-2 and its complexes with non-covalent inhibitors. Nature Communications, 12 (1), 743. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21060-3
  25. Ton, A.-T., Pandey, M., Smith, J. R., Ban, F., Fernandez, M., Cherkasov, A. (2022). Targeting SARS-CoV-2 papain-like protease in the postvaccine era. Trends in Pharmacological Sciences, 43 (11), 906–919. https://doi.org/10.1016/j.tips.2022.08.008
  26. Rut, W., Lv, Z., Zmudzinski, M., Patchett, S., Nayak, D., Snipas, S. J. et al. (2020). Activity profiling and crystal structures of inhibitor-bound SARS-CoV-2 papain-like protease: A framework for anti–COVID-19 drug design. Science Advances, 6 (42), eabd4596. https://doi.org/10.1126/sciadv.abd4596
  27. Gao, X., Qin, B., Chen, P., Zhu, K., Hou, P., Wojdyla, J. A., Wang, M., Cui, S. (2021). Crystal structure of SARS-CoV-2 papain-like protease. Acta Pharmaceutica Sinica B, 11 (1), 237–245. https://doi.org/10.1016/j.apsb.2020.08.014
  28. Ullrich, S., Nitsche, C. (2022). SARS‐CoV‐2 Papain‐Like Protease: Structure, Function and Inhibition. ChemBioChem, 23 (19). https://doi.org/10.1002/cbic.202200327
  29. Yuan, S., Gao, X., Tang, K., Cai, J.-P., Hu, M., Luo, P. et al. (2022). Targeting papain-like protease for broad-spectrum coronavirus inhibition. Protein & Cell, 13 (12), 940–953. https://doi.org/10.1007/s13238-022-00909-3
  30. Wang, Q., Chen, G., He, J., Li, J., Xiong, M., Su, H. et al. (2023). Structure-Based Design of Potent Peptidomimetic Inhibitors Covalently Targeting SARS-CoV-2 Papain-like Protease. International Journal of Molecular Sciences, 24 (10), 8633. https://doi.org/10.3390/ijms24108633
  31. Yu, W., Zhao, Y., Ye, H., Wu, N., Liao, Y., Chen, N. et al. (2022). Structure-Based Design of a Dual-Targeted Covalent Inhibitor Against Papain-like and Main Proteases of SARS-CoV-2. Journal of Medicinal Chemistry, 65 (24), 16252–16267. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.2c00954
  32. Santos, L. H., Kronenberger, T., Almeida, R. G., Silva, E. B., Rocha, R. E. O., Oliveira, J. C. et al. (2022). Structure-Based Identification of Naphthoquinones and Derivatives as Novel Inhibitors of Main Protease Mpro and Papain-like Protease PLpro of SARS-CoV-2. Journal of Chemical Information and Modeling, 62 (24), 6553–6573. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.2c00693
  33. Reddy, A. S., Zhang, S. (2013). Polypharmacology: drug discovery for the future. Expert Review of Clinical Pharmacology, 6 (1), 41–47. https://doi.org/10.1586/ecp.12.74
  34. Sander, T., Freyss, J., von Korff, M., Rufener, C. (2015). DataWarrior: An Open-Source Program For Chemistry Aware Data Visualization And Analysis. Journal of Chemical Information and Modeling, 55 (2), 460–473. https://doi.org/10.1021/ci500588j
  35. Wolber, G., Langer, T. (2005). LigandScout: 3-D Pharmacophores Derived from Protein-Bound Ligands and Their Use as Virtual Screening Filters. Journal of Chemical Information and Modeling, 45 (1), 160–169. https://doi.org/10.1021/ci049885e
  36. Goodsell, D. S., Morris, G. M., Olson, A. J. (1996). Automated docking of flexible ligands: Applications of AutoDock. Journal of Molecular Recognition, 9(1), 1–5. https://doi.org/10.1002/(sici)1099-1352(199601)9:1<1::aid-jmr241>3.0.co;2-6
  37. Goodsell, D. S., Sanner, M. F., Olson, A. J., Forli, S. (2020). The AutoDock suite at 30. Protein Science, 30 (1), 31–43. https://doi.org/10.1002/pro.3934
  38. Kumar, T. D. A. (2022). Drug Design. A Conceptual Overview. Abingdon: CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781003298755
  39. La Monica, G., Bono, A., Lauria, A., Martorana, A. (2022). Targeting SARS-CoV-2 Main Protease for Treatment of COVID-19: Covalent Inhibitors Structure-Activity Relationship Insights and Evolution Perspectives. Journal of Medicinal Chemistry, 65 (19), 12500–12534. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.2c01005
  40. Bucherer, H. Th., Lieb, V. A. (1934). Über die Bildung substituierter Hydantoine aus Aldehyden und Ketonen. Synthese von Hydantoinen. Journal Für Praktische Chemie, 141 (1-2), 5–43. https://doi.org/10.1002/prac.19341410102
  41. Konnert, L., Lamaty, F., Martinez, J., Colacino, E. (2017). Recent Advances in the Synthesis of Hydantoins: The State of the Art of a Valuable Scaffold. Chemical Reviews, 117 (23), 13757–13809. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00067
  42. Kalník, M., Gabko, P., Bella, M., Koóš, M. (2021). The Bucherer-Bergs Multicomponent Synthesis of Hydantoins – Excellence in Simplicity. Molecules, 26 (13), 4024. https://doi.org/10.3390/molecules26134024
  43. Park, E. J., Lee, S., Chang, S. (2010). Acetone Cyanohydrin as a Source of HCN in the Cu-Catalyzed Hydrocyanation of α-Aryl Diazoacetates. The Journal of Organic Chemistry, 75 (8), 2760–2762. https://doi.org/10.1021/jo100356d
  44. Cho, S., Kim, S.-H., Shin, D. (2019). Recent applications of hydantoin and thiohydantoin in medicinal chemistry. European Journal of Medicinal Chemistry, 164, 517–545. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2018.12.066
  45. Ölmez, N. A., Waseer, F. (2020). New Potential Biologically Active Compounds: Synthesis and Characterization of Urea and Thiourea Derivativpes Bearing 1,2,4-oxadiazole Ring. Current Organic Synthesis, 17 (7), 525–534. https://doi.org/10.2174/1570179417666200417112106
  46. Zhu, L., Zeng, H., Liu, D., Fu, Y., Wu, Q., Song, B., Gan, X. (2020). Design, synthesis, and biological activity of novel 1,2,4-oxadiazole derivatives. BMC Chemistry, 14 (1), 68. https://doi.org/10.1186/s13065-020-00722-1
  47. Perekhoda, L., Suleiman, M., Podolsky, I., Semenets, A., Kobzar, N., Yaremenko, V. et al. (2024). Synthesis and nootropic activity prediction of some 4-(aminomethyl)-1-benzylpyrrolidin-2-one derivatives structurally related with nebracetam. ScienceRise: Pharmaceutical Science, 4 (50), 23–34. https://doi.org/10.15587/2519-4852.2024.310731
  48. Semenets, A. P., Suleiman, M. M., Fedosov, A. I., Shtrygol, S. Y., Havrylov, I. O., Mishchenko, M. V. et al. (2022). Synthesis, docking, and biological evaluation of novel 1-benzyl-4-(4-(R)-5-sulfonylidene-4,5-dihydro-1H-1,2,4-triazol-3-yl)pyrrolidin-2-ones as potential nootropic agents. European Journal of Medicinal Chemistry, 244, 114823. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2022.114823
  49. Shintani, Y., Kato, K., Kawami, M., Takano, M., Kumamoto, T. (2021). Direct N1-Selective Alkylation of Hydantoins Using Potassium Bases. Chemical and Pharmaceutical Bulletin, 69 (4), 407–410. https://doi.org/10.1248/cpb.c20-00857
Цілеспрямований структурний дизайн молекулярних скаффолдів для дуальних пептидоміметичних інгібіторів протеаз SARS-CoV-2 MPRO та PLPRO

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-10-27

Як цитувати

Євсєєва, Л. В., Кириченко, О. В., Тростянко, П. В., Іванов, В. В., Коваленко, С. М., & Калугін, О. М. (2025). Цілеспрямований структурний дизайн молекулярних скаффолдів для дуальних пептидоміметичних інгібіторів протеаз SARS-CoV-2 MPRO та PLPRO. ScienceRise: Pharmaceutical Science, (5 (57), 56–67. https://doi.org/10.15587/2519-4852.2025.337951

Номер

№ 5 (57) (2025)

Розділ

Фармацевтичні науки

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Larysa Yevsieieva, Alexander Kyrychenko, Pavlo Trostianko, Volodymyr Ivanov, Sergiy M. Kovalenko, Oleg Kalugin

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons CC BY для журналів відкритого доступу.