Discovery of Nirmatrelvir Resistance Mutations in SARS-CoV-2 3CLpro: A Computational-Experimental Approach

抗药性 严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2) 2019年冠状病毒病(COVID-19) 丙氨酸扫描 突变体 生物 病毒学 IC50型 自由能微扰 抗性突变 突变 体外 计算生物学 遗传学 化学 医学 基因 突变 传染病(医学专业) 分子动力学 疾病 逆转录酶 计算化学 病理 核糖核酸
作者
Brandon Havranek,Robel Demissie,Hyun Lee,Shuiyun Lan,Huanchun Zhang,Stefan G. Sarafianos,Anoklase J.‐L. Ayitou,Shahidul M. Islam
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:63 (22): 7180-7188 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.3c01269
摘要

The COVID-19 pandemic has emphasized the urgency for effective antiviral therapies against SARS-CoV-2. Targeting the main protease (3CLpro) of the virus has emerged as a promising approach, and nirmatrelvir (PF-07321332), the active component of Pfizer's oral drug Paxlovid, has demonstrated remarkable clinical efficacy. However, the emergence of resistance mutations poses a challenge to its continued success. In this study, we employed alchemical free energy perturbation (FEP) alanine scanning to identify nirmatrelvir-resistance mutations within SARS-CoV-2 3CLpro. FEP identified several mutations, which were validated through in vitro IC50 experiments and found to result in 8- and 72-fold increases in nirmatrelvir IC50 values. Additionally, we constructed SARS-CoV-2 omicron replicons containing these mutations, and one of the mutants (S144A/E166A) displayed a 20-fold increase in EC50, confirming the role of FEP in identifying drug-resistance mutations. Our findings suggest that FEP can be a valuable tool in proactively monitoring the emergence of resistant strains and guiding the design of future inhibitors with reduced susceptibility to drug resistance. As nirmatrelvir is currently widely used for treating COVID-19, this research has important implications for surveillance efforts and antiviral development.
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