新冠病毒主蛋白酶是新冠病毒基因组编码的最重要的蛋白之一，它负责新冠病毒多聚蛋白pp1a和pp1ab的切割，对于病毒的复制和转录至关重要。新冠病毒主蛋白酶被认为是理想的药物靶点。在疫情初期的攻关工作中，研究团队建立了基于新冠病毒主蛋白酶的高通量药物筛选体系。通过该体系发现已上市丙肝药物博赛泼维、在研药物GC376（Nature Communications，2020）和III期临床药物那拉匹韦（Signal Transduction and Targeted Therapy，2021）在蛋白和细胞水平均可以抑制新冠病毒的复制。而且，研究团队还解析3种化合物分子与主蛋白酶的复合物晶体结构，为优化和设计更有效的抗新冠病毒药物提供了基础。
为了寻找更多可以靶向主蛋白酶的化合物分子，研究团队又通过筛选微生物的次级代谢产物库发现链霉菌产生的亮肽素可以抑制新型冠状病毒主蛋白酶的活性，IC50值为127.2μM。进一步的细胞水平抗病毒实验结果显示，亮肽素在Vero细胞内具有抑制新冠病毒复制的效果，EC50值为42.34μM。为了阐明亮肽素对新冠病毒的抑制机制，研究团队解析了新型冠状病毒主蛋白酶与亮肽素的复合物晶体结构。清晰的电子密度图显示亮肽素与145位半胱氨酸形成了C-S共价键。而且，亮肽素占据了主蛋白酶的酶活中心位点，从而阻止主蛋白酶水解其天然底物（图1）。
图1 亮肽素的化学结构（A）；亮肽素对新冠病毒主蛋白酶的抑制活性（B）；亮肽素对新冠病毒的抑制活性（C）亮肽素与新冠病毒主蛋白酶的复合物晶体结构（D）
另外一方面，以清肺排毒汤为代表的”三方三药“在此次抗疫斗争中发挥了重要作用，但是这些中药抗新冠的作用机制和活性物质基础依然没有完全明确。经过文献调研，研究团队发现产生亮肽素的链霉菌存在于多种中药植物生长的土壤中。因此，研究团队大胆假设有抗新冠病毒活性的亮肽素可能会通过链霉菌-植物共生关系转移到一些抗新冠中药中。为了验证这一猜想，研究团队选取清肺排毒方作为研究对象，通过高效液相指纹图谱和高分辨质谱发现清肺排毒方中确实含有亮肽素（图2）。这些结果表明亮肽素在中药抗新冠活性中起了一定的作用。
图2. 高效液相指纹图谱和高分辨质谱结果
基于以上发现，研究团队首次提出了中医药现代化的“微生物组-微生物代谢产物-植物”生态圈概念来解释中药有效活性物质抗新冠的作用机制（图3）。这一概念为中医药现代化研究提供了一种新的思路，提示我们在进行中药现代化研究时，要重视微生物代谢产物在中药活性中的作用。这一研究结果“Mechanism of Microbial metabolite Leupeptin in the Treatment of COVID-19 by Traditional Chinese Medicine Herbs”发表在美国微生物学会主办的mBio杂志上。
图3. “微生物组-代谢产物-植物”生态圈抗新冠机制示意图
中科院微生物所的傅立峰、冯永和中国疾控中心的邵帅、叶飞为论文第一作者，中科院微生物所高福院士和中国疾控中心病毒病所谭文杰研究员为论文通讯作者。该研究还得到了北京大学医学部精准医疗多组学研究中心的黄超兰教授、孙学博士；中科院微生物所的齐建勋研究员和李学兵研究员的大力支持。该研究还得到中科院战略性先导科技专项(B类)、国家重点研究计划和国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.02220-21
