Structure-Guided Repurposing of SARS-CoV-2 Compounds Identifies Putative Inhibitors of Mpox Viral Enzymes

Stellen Sie sich die Welt der Viren als eine geschäftige, chaotische Stadt vor, in der winzige Eindringlinge versuchen, unsere Zellen zu kapern, um mehr von sich selbst zu bauen. Um sie zu stoppen, agieren Wissenschaftler wie meisterhafte Schlossermaster, die versuchen, Schlüssel zu entwerfen, die perfekt in die spezifischen Schlösser (Proteine) passen, die Viren für ihre Funktionen nutzen. Manchmal sehen diese Schlösser über verschiedene Virusfamilien hinweg überraschend ähnlich aus, so wie ein Türgriff an einem Haus sehr ähnlich wie der an einem Schloss aussehen kann. Diese Ähnlichkeit bietet Wissenschaftlern eine clevere Abkürzung: Anstatt für jeden neuen Virus einen brandneuen Schlüssel von Grund auf neu zu schmieden, können sie versuchen, Schlüssel, die sie bereits für einen anderen Virus hergestellt haben, auszuprobieren, um zu sehen, ob sie in die Schlösser eines anderen passen. Dies wird als „Drug Repurposing“ (Arzneimittel-Umwidmung) bezeichnet. In dieser Geschichte untersuchen die Forscher das Mpox-Virus, einen Unruhestifter, der wieder Ausbrüche verursacht hat. Sie wollen neue Wege finden, um es zu stoppen, indem sie gezielt drei kritische Maschinen im Inneren des Virus blockieren: eine Schere (Protease), die virale Teile schneidet, eine Stempelmaschine (Methyltransferase), die virale Nachrichten beschriftet, und einen Schredder (Nuklease), der unsere Immunsignale zerstört.

Die Forscher entschieden sich, eine riesige Sammlung von Schlüsseln, die ursprünglich zur Bekämpfung von SARS-CoV-2 (dem Virus hinter COVID-19) entwickelt wurden, gegen diese Mpox-Maschinen zu testen. Sie haben nicht einfach nur geraten; sie nutzten leistungsstarke Computersimulationen, um zu sehen, wie gut diese Schlüssel passen. Denken Sie an ein hochmodernes Videospiel, bei dem sie tausende virtuelle Schlüssel in virtuelle Schlösser fallen lassen, um zu sehen, welche sich reibungslos drehen. Sie fanden heraus, dass einige Schlüssel auf den ersten Blick großartig aussah, aber tatsächlich stecken blieben oder auseinanderfielen, wenn die Simulation realistischer wurde. Dennoch identifizierten sie einige herausragende Schlüssel, die scheinbar sehr gut in die Mpox-Schlösser passten, was darauf hindeutet, dass sie der Anfang neuer Medikamente sein könnten. Aber hier ist der Haken: Dies sind lediglich Computerprognosen. Die Schlüssel wurden noch nicht in einem echten Labor oder an lebenden Zellen getestet, daher sind sie eher vielversprechende „Was-wäre-wenn“-Szenarien als garantierte Heilmittel.

Die große Schlüsselsuche: Mpox-Stopper finden

In dieser Studie begab sich ein Team von Wissenschaftlern auf eine digitale Schatzsuche. Ihr Ziel war es zu sehen, ob sie eine Bibliothek von Verbindungen (chemische Schlüssel), die zuvor zur Bekämpfung von SARS-CoV-2 untersucht worden waren, ausleihen und nutzen könnten, um das Mpox-Virus zu stoppen. Sie konzentrierten sich auf drei spezifische Ziele innerhalb des Mpox-Virus, die essenziell für das Überleben und die Ausbreitung des Virus sind:

1. Die Kern-Protease: Stellen Sie sich dies als die internen Scheren des Virus vor. Sie schneidet lange Ketten von viralen Proteinen in kleinere, nutzbare Stücke. Wenn man diese Scheren blockiert, kann sich das Virus nicht selbst aufbauen.
2. Die VP39-Methyltransferase: Dies ist wie eine Stempelmaschine. Sie setzt eine spezielle „Kappe“ auf die genetischen Nachrichten des Virus, damit die Wirtszelle sie als eigene Anweisungen liest. Stoppt man den Stempel, ignoriert die Zelle das Virus.
3. Die Poxin-Nuklease: Denken Sie an diesen Teil als an einen Schredder. Er zerstört die Warnsignale, die unser Immunsystem aussendet, wenn es eine Infektion erkennt. Wenn man den Schredder blockiert, bleibt das Immunsystem wachsam und kämpft zurück.

Das Team nahm eine Bibliothek von 1.238 verschiedenen chemischen Verbindungen – einige natürlich, einige synthetisch – die für SARS-CoV-2 untersucht worden waren. Sie ließen diese durch eine Reihe von Computertests laufen, beginnend mit einer schnellen, breiten Suche (High-Throughput-Screening), um die vielversprechendsten Kandidaten zu finden, und zoomten dann für einen detaillierten Blick (Molekulares Docking) heran, um genau zu sehen, wie sie passen.

Die Ergebnisse: Gewinner, Verlierer und „Fast-Gewinner“

Die Computersimulationen lieferten faszinierende Ergebnisse, zeigten aber auch, warum man nicht einfach dem ersten vertrauen darf, was gut aussieht.

Die Ergebnisse der Protease (Die Scheren):
Zuerst sah eine Verbindung namens 78097010 wie der Superstar aus. Sie hatte den besten „Docking-Score“, was so ist, als bekäme man die beste Note in einer Prüfung. Als die Wissenschaftler jedoch eine realistischere Simulation durchführten, die Wasser und die Verformung des Moleküls berücksichtigte (genannt MM-GBSA), zerfiel diese Verbindung jedoch. Es stellte sich heraus, dass sie zwar in das Schloss passte, es aber zu viel Energie kostete, dorthin zu gelangen – so als würde man versuchen, einen Schlüssel mit Gewalt in ein zu enges Schloss zu drücken.
Stattdessen kristallisierten sich zwei andere Verbindungen als die wahren Kontender heraus:

• J08_67: Diese Verbindung hatte das stabilste Energieprofil. Sie passte gut und blieb fest an Ort und Stelle. In den Simulationen zeigte sie eine Bindungsenergie von -37,03 kcal/mol, was besser ist als die Referenzverbindung, die sie zum Vergleich verwendeten. Zudem schien sie leicht vom Körper aufgenommen werden zu können.
• J02_11: Diese Verbindung war energetisch etwas weniger stabil, aber unglaublich beständig über die Zeit. In einer 100-Nanosekunden-Simulation (was vergleichbar ist mit dem Anschauen eines Films über die Interaktion des Moleküls mit dem Virus) hielt J02_11 eine Bindung zu einem bestimmten Teil des Virus (eine Wasserstoffbrückenbindung mit Lys126) über 85 % der Zeit aufrecht. Sie war ein sehr zuverlässiger Partner.

Die Ergebnisse der VP39 (Die Stempelmaschine):
Hier waren die Ergebnisse noch eindeutiger. Eine Verbindung namens JBB43_0001 hatte die beste anfängliche Bewertung, aber auch hier erzählte die detaillierte Energieprüfung eine andere Geschichte. Der wahre Gewinner war J08_51.

• J08_51 zeigte eine massive Bindungsenergie von -73,61 kcal/mol in der ersten Prüfung, und selbst nach der Durchführung der 100-Nanosekunden-Simulation blieb sie mit einer durchschnittlichen Energie von -68,38 ± 10,25 kcal/mol stark.
• Sie bildete eine sehr starke, dauerhafte Bindung mit einem Teil des Virus namens Asp95 (sie hielt über 85 % der Simulationszeit daran) und knüpfte Verbindungen zu Arg114 und Asp152.
• Die Wissenschaftler merkten jedoch an, dass J08_51 für ein echtes Medikament etwas zu „klobig“ sein könnte. Sie hat eine niedrige vorhergesagte Fähigkeit, vom Darm absorbiert zu werden, und ist komplex in der Herstellung, was bedeutet, dass sie noch angepasst werden müsste, um zu einem Medikament zu werden.

Die Ergebnisse der Poxin (Der Schredder):
Dieses Ziel war am vorsichtigsten zu betrachten. Die am besten bewertete Verbindung aus dem ersten Screening, SA40_0002, entpuppte sich als Fehlalarm. Sie hatte einen riesigen „Solvatations-Penalty“, was bedeutet, dass sie Wasser hasste, was sie im Körper nutzlos gemacht hätte.

• Der beste Kandidat hier war J02_14. Sie hatte ein ausgewogenes Profil und brach nicht zusammen wie die anderen. Sie war jedoch nicht so stark wie die von den Wissenschaftlern verwendete Referenzverbindung, und da das Team die lange 100-Nanosekunden-Simulation für diese Verbindung nicht durchgeführt hat, bleibt sie eher ein „Vielleicht“ als ein bestätigter Spitzenreiter.

Was dies bedeutet (und was es nicht bedeutet)

Die wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass kreuz-virale Umwidmung funktioniert, man aber vorsichtig sein muss. Nur weil ein Schlüssel auf einem Computerbildschirm in ein Schloss passt, bedeutet das nicht, dass er das Schloss im echten Leben drehen wird. Die Studie zeigte, dass es entscheidend ist, die „Energiekosten“ der Passform (unter Verwendung von MM-GBSA) zu betrachten und das Verhalten des Moleküls über die Zeit zu beobachten (mittels Molekulardynamik). Ohsten diese zusätzlichen Schritte wäre die Wahl der falschen Schlüssel erfolgt (wie bei 78097010 und SA40_0002).

Die Autoren sind sich der Grenzen ihrer Arbeit sehr bewusst. Sie haben nicht bewiesen, dass diese Verbindungen das Virus abtöten. Sie haben sie nicht an Zellen oder Tieren getestet. Sie haben nicht gezeigt, dass sie für Menschen sicher sind. Alles, was sie getan haben, war, Computer zu nutzen, um einige „putative Inhibitoren“ zu finden – das heißt „vermutete Inhibitoren“ –, die vielversprechend genug aussehen, um in einem echten Labor getestet zu werden.

Das Paper legt nahe, dass J08_67 und J02_11 die besten Ausgangspunkte für die Protease sind und J08_51 der beste Ausgangspunkt für das VP39-Enzym ist. Diese Verbindungen bilden nun die „Shortlist“ für die nächste Phase der Forschung, in der echte Wissenschaftler diese Verbindungen mit echten Virusbestandteilen mischen werden, um zu sehen, ob sie tatsächlich die Funktion des Virus stoppen. Bis dahin bleiben sie faszinierende, computergenerierte Hinweise im fortlaufenden Kampf gegen Mpox.