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2025年4月8日，中國科學院上海藥物研究所許葉春研究團隊聯(lián)合武漢病毒研究所張磊砢團隊在Advanced Science在線發(fā)表了題為“Dynamic Cap-Mediated Substrate Access and Potent Inhibitor Design of Monkeypox Virus I7L Protease”的研究論文。該論文首次報道了猴痘病毒I7L蛋白酶的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，揭示其獨特的構(gòu)象調(diào)控機制，并基于此成功設(shè)計和優(yōu)化獲得納摩爾級共價抑制劑，為正痘病毒的廣譜抗病毒藥物開發(fā)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和先導(dǎo)化合物。

猴痘病毒是一種長期在非洲流行的正痘病毒，因2022年引起全球暴發(fā)而被世界衛(wèi)生組織列為全球公共衛(wèi)生緊急事件。I7L蛋白酶在正痘病毒成熟過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，是備受關(guān)注的抗病毒藥物新靶點。然而，長期以來其底物識別機制不明、三維結(jié)構(gòu)缺失、酶活檢測方法匱乏，嚴重妨礙了I7L抑制劑的研發(fā)進展。

首次報道猴痘病毒I7L蛋白酶晶體結(jié)構(gòu)，揭示“構(gòu)象開關(guān)”機制

本項研究中，研究團隊解析了猴痘病毒I7L蛋白酶高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其以穩(wěn)定的二聚體形式存在，具備高度保守的催化三聯(lián)體。在活性位點附近，團隊首次解析并捕捉到一個柔性的帽狀結(jié)構(gòu)區(qū)域（cap region），可在“開啟”與“閉合”兩種構(gòu)象間發(fā)生動態(tài)轉(zhuǎn)換，有效調(diào)控底物進入活性中心。結(jié)合多個晶體結(jié)構(gòu)的解析和分子動力學模擬研究，證實該帽狀結(jié)構(gòu)作為I7L蛋白酶中的“構(gòu)象開關(guān)”，在底物結(jié)合過程中發(fā)揮核心調(diào)節(jié)作用。該研究不僅填補了正痘病毒蛋白酶三維結(jié)構(gòu)研究的空白，更在原子層面為基于結(jié)構(gòu)的精準藥物研發(fā)提供了全新思路。

圖1. 猴痘病毒I7L蛋白酶晶體結(jié)構(gòu)及帽狀結(jié)構(gòu)區(qū)域的動態(tài)構(gòu)象調(diào)控機制

（a）猴痘病毒I7L蛋白酶二聚體。（b）晶體結(jié)構(gòu)捕捉到的帽狀結(jié)構(gòu)區(qū)域的兩種不同構(gòu)象。（c）分子動力學模擬揭示的I7L蛋白酶的構(gòu)象分布。（d）I7L蛋白酶的帽狀結(jié)構(gòu)調(diào)控底物結(jié)合示意圖。

闡明I7L蛋白酶底物識別與催化水解機制，設(shè)計強效抑制劑

在結(jié)構(gòu)解析基礎(chǔ)上，研究團隊結(jié)合AlphaFold3復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測與QM/MM 分子動力學多尺度模擬，系統(tǒng)揭示了I7L蛋白酶的底物識別規(guī)律和催化水解機制，明確了I7L蛋白酶S1–S5亞位點的關(guān)鍵作用，并揭示去酰化（E-1 → E:P）為催化反應(yīng)的限速步驟。

圖2. 猴痘病毒I7L蛋白酶底物識別與催化反應(yīng)的分子機制

（a）猴痘病毒的底物序列（P5–P2'）及保守性分析。（b）AlphaFold3預(yù)測底物M4R-1與猴痘病毒I7L蛋白酶的結(jié)合模式。（c）基于QM/MM 分子動力學模擬計算揭示的猴痘病毒I7L蛋白酶催化水解底物機制。

基于上述機制解析，研究團隊進一步設(shè)計了模擬天然底物的一系列共價抑制劑，采用臨床應(yīng)用共價藥物中的氰基作為共價彈頭，并建立了基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）的高通量酶活測試方法進行化合物的抑制活性評價，成功鑒定出多個具有納摩爾級抑制活性的I7L抑制劑。其中，化合物11展現(xiàn)出卓越的抑制活性，它在酶水平抑制猴痘病毒I7L蛋白酶的IC₅₀為69 nM。在細胞水平，化合物11有效抑制痘苗病毒復(fù)制，EC₅₀為6.0 μM，且在400 μM濃度下未觀察到明顯的細胞毒性（CC₅₀ > 400 μM）。

圖3. 基于結(jié)構(gòu)的猴痘病毒I7L蛋白酶抑制劑的設(shè)計

進一步多序列比對分析揭示，I7L蛋白酶在正痘病毒屬中呈現(xiàn)跨物種高度保守，且在猴痘病毒不同進化分支（clade I、IIa、IIb）間同樣保持極高的序列一致性。結(jié)構(gòu)分析顯示關(guān)鍵的藥物結(jié)合位點無突變，提示研究團隊所開發(fā)的抑制劑具備廣譜抗正痘病毒的潛力。

許葉春研究團隊長期致力于靶向病毒蛋白酶的廣譜抗病毒藥物研發(fā)，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)藥理學與計算機輔助藥物設(shè)計深度融合的早期藥物發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)體系。團隊以精準解析的藥效構(gòu)象為基礎(chǔ)，理性設(shè)計并高效優(yōu)化獲得先導(dǎo)化合物及候選藥物。作為主要發(fā)明人之一，合作研發(fā)了抗新冠病毒創(chuàng)新藥物先諾欣。此外，研究團隊近年來在國際頂尖期刊上發(fā)表多項創(chuàng)新性的抗病毒相關(guān)研究成果（J. Am. Chem. Soc. 2024，Nat. Commun. 2023，Chem. Sci. 2023，Nat. Sci. Rev. 2023，Signal Transduct. Target. Ther. 2023，Angew. Chem. Int. Ed. 2022，Nat. Commun. 2021，Science 2020a，Science 2020b）。

上海藥物所蘇海霞研究員、臨港實驗室博士生鄔國慶、杭州高等研究院博士后熊慕雅、南京中醫(yī)藥大學/上海藥物所聯(lián)合培養(yǎng)碩士生王宇航、武漢病毒所博士后曹浚垣為本文的共同第一作者，上海藥物所許葉春研究員、邵強研究員以及武漢病毒所張磊砢研究員為共同通訊作者。該項工作得到了上海同步輻射光源的支持，獲得了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、上海藥物所自主部署項目、國家重點研發(fā)計劃、廣州國家實驗室重大項目和湖北省重點研發(fā)計劃等項目的支持。

全文鏈接：）。?? 圖3. 基于結(jié)構(gòu)的猴痘病毒I7L蛋白酶抑制劑的設(shè)計 進一步多序列比對分析揭示，I7L蛋白酶在正痘病毒屬中呈現(xiàn)跨物種高度保守，且在猴痘病毒不同進化分支（clade I、IIa、IIb）間同樣保持極高的序列一致性。結(jié)構(gòu)分析顯示關(guān)鍵的藥物結(jié)合位點無突變，提示研究團隊所開發(fā)的抑制劑具備廣譜抗正痘病毒的潛力。 許葉春研究團隊長期致力于靶向病毒蛋白酶的廣譜抗病毒藥物研發(fā)，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)藥理學與計算機輔助藥物設(shè)計深度融合的早期藥物發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)體系。團隊以精準解析的藥效構(gòu)象為基礎(chǔ)，理性設(shè)計并高效優(yōu)化獲得先導(dǎo)化合物及候選藥物，其中包括已獲批上市的抗新冠病毒創(chuàng)新藥物——先諾欣。此外，研究團隊近年來在國際頂尖期刊上發(fā)表多項創(chuàng)新性的抗病毒相關(guān)研究成果（J. Am. Chem. Soc. 2024，Nat. Commun. 2023，Chem. Sci. 2023，Nat. Sci. Rev. 2023，Signal Transduct. Target. Ther. 2023，Angew. Chem. Int. Ed. 2022，Nat. Commun. 2021，Science 2020a，Science 2020b）。 上海藥物所蘇海霞研究員、臨港實驗室博士生鄔國慶、杭州高等研究院博士后熊慕雅、南京中醫(yī)藥大學/上海藥物所聯(lián)合培養(yǎng)碩士生王宇航、武漢病毒所博士后曹浚垣為本文的共同第一作者，上海藥物所許葉春研究員、邵強研究員以及武漢病毒所張磊砢研究員為共同通訊作者。該項工作得到了上海同步輻射光源的支持，獲得了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、上海藥物所自主部署項目、國家重點研發(fā)計劃、廣州國家實驗室重大項目和湖北省重點研發(fā)計劃等項目的支持。 全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202501625??（供稿部門：許葉春課題組）"target="_self"needdownload="false"data-needdownload="false"data-needparse="false"style="color: rgb(11,119,205);font-family: 微軟雅黑,"Microsoft YaHei";">https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202501625