.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ Y TẾ

ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VÕ LINH TỬ

NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH DỰ ĐỐN IN SILICO
KHẢ NĂNG ỨC CHẾ CỦA CÁC HỢP CHẤT TỰ NHIÊN
TRÊN Mpro CỦA SARS-COV-2
NGÀNH: CÔNG NGHỆ DƯỢC PHẨM VÀ BÀO CHẾ THUỐC
MÃ SỐ: 8720202
LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN THỤY VIỆT PHƯƠNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

.


.

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những phần
sử dụng tài liệu tham khảo trong luận văn đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham
khảo. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan.

Tác giả luận văn

Võ Linh Tử

.


.

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cảm ơn gia đình tôi, những người thân yêu đã luôn ủng hộ, là điểm tựa
và động lực cho tôi trong suốt thời gian của khóa học.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô TS. Nguyễn Thụy Việt Phương đã
dành thời gian, tâm huyết, tận tình hướng dẫn và góp ý chỉnh sửa giúp em hồn thiện
luận văn. Cảm ơn cơ vì những bài học bổ ích mà cơ đã dạy cho em.
Em xin cảm ơn thầy GS.TS. Thái Khắc Minh và thầy GS.TS. Phạm Văn Tất
đã dành thời gian đọc và phản biện giúp em hoàn chỉnh luận văn.
Em xin tri ân Thầy, Cô khoa Dược tham gia công tác giảng dạy chương trình
Cao học đã dành nhiều tâm huyết truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho các học viên.
Em xin cảm ơn anh ThS. Trương Văn Đạt đã luôn động viên, tạo điều kiện
cho em để em có thể hoàn thành khóa học.
Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp cao học Công nghệ Dược phẩm và Bào chế
thuốc 2020-2022 đã cùng đồng hành, hỗ trợ nhau trong suốt chặn đường vừa qua.

Võ Linh Tử

.


.


Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Dược học – Khóa: 2020 - 2022

NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH DỰ ĐỐN IN SILICO
KHẢ NĂNG ỨC CHẾ CỦA CÁC HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRÊN Mpro
CỦA SARS-COV-2
Võ Linh Tử

Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN THỤY VIỆT PHƯƠNG
Mở đầu và đặt vấn đề

Main protease (Mpro) là mục tiêu tiềm năng trong nghiên cứu thuốc chống
COVID-19. Mục tiêu của nghiên cứu là nghiên cứu mơ hình dự đoán in silico khả
năng ức chế của các hợp chất tự nhiên trên Mpro của SARS-CoV-2.
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là Mpro của SARS-CoV-2 (PDB: 6LU7), 227 chất đã
biết hoạt tính ức chế Mpro của SARS-CoV-2 in vitro thu thập từ 17 bài báo khoa học.
Cơ sở dữ liệu sàng lọc gồm 273 hợp chất tự nhiên được chiết xuất tại khoa Dược Đại
học Y Dược Thành phớ Hờ Chí Minh. Các phương pháp in silico gờm mơ hình
pharmacophore, mơ hình QSAR, gắn kết phân tử và mô phỏng động lực học phân tử
được kết hợp để dự đoán chất ức chế Mpro tiềm năng.
Kết quả và bàn luận

Mơ hình pharmacophore R01-V ba điểm gờm trung tâm kỵ nước bao quanh
bởi các acid amin His41, Met49 và Met165, điểm nhận liên kết hydro tương tác với
Glu166 và điểm nhận liên kết hydro tương tác với His163 với vùng giới hạn thể tích
loại trừ xây dựng từ cấu trúc tinh thể của enzym Mpro và ligand đờng kết tinh N3 (mã
PDB: 6LU7) là mơ hình tớt nhất với độ nhạy 80,0%, độ đặc hiệu 86,9%, độ chính xác
86,3%; điểm sớ Güner-Henry 0,43 và tỷ lệ làm giàu 4,15. Mô hình QSAR theo

phương pháp máy học bằng thuật toán Random Forest là mô hình tốt để dự đoán định
lượng hoạt tính ức chế Mpro (R2 = 0,83; RMSE = 0,40). Sàng lọc 273 hợp chất tự
nhiên qua mơ hình pharmacophore thu được 44 hợp chất, hoạt tính dự đoán (IC50)
của các chất bằng mơ hình QSAR từ 0,09 đến 1,33 µM. Các hợp chất gắn tớt nhất
vào Mpro là các flavonoid M228, M072, M160, M163, M023, điểm số gắn kết từ -8,5
đến -9,1 kcal.mol-1. Tất cả ligand đều có ái lực cao với khoang gắn và cấu trúc protein
trong phức hợp ổn định trong śt q trình mô phỏng động lực học 50 ns.
Kết luận

Các hợp chất M228, M072, M160, M163, M023 có tiềm năng trở thành chất
ức chế enzym Mpro của SARS-CoV-2

.


.

Final essay for the degree of MA. In Pharm. – Academic year: 2020 – 2022

IN SILICO EVALUATION SARS-COV-2 MPRO INHIBITORY
POTENTIAL OF NATURAL COMPOUNDS
Introduction

Main protease (Mpro) is a potential target in drug discovery for COVID-19.
The objective of the study is to use in silico models to predict the SARS-CoV-2 Mpro
inhibitory potential of natural compounds.
Materials and methods

The target structure is Mpro of SARS-CoV-2 (PDB: 6LU7), ligand data
including 227 substances with known SARS-CoV-2 Mpro inhibitory activity in vitro

extracted from 17 articles. Screening database is 273 natural compounds extracted at
the Faculty of Pharmacy, University of Medicine and Pharmacy, Ho Chi Minh City.
In silico methods including pharmacophore model, QSAR model, molecular docking,
and molecular dynamics simulations were combined to predict potential Mpro
inhibitors.
Result and discussion

Three-point pharmacophore model consisting of a hydrophobic center
surrounded by the acids His41, Met49 and Met165, a hydrogen bond acceptor that
interacts with Glu166 and a hydrogen bond acceptor that interacts with His163 with
an exclusion volume restriction built from the crystal structure of enzyme Mpro with
co-crystallized ligand N3 (PDB ID: 6LU7) was the best model with sensitivity 80.0%,
specificity 86.9%, accuracy 86.3%; Güner-Henry score 0.43 and enrichment factor
4.15. QSAR model using machine learning method by Random Forest algorithm was
a good model for quantitative prediction of Mpro inhibitory activity (R2 = 0.83;
RMSE = 0.40). Screening 273 natural compounds through pharmacophore model
obtained 44 compounds, predicted activity (IC50) of 44 compounds by QSAR model
from 0.09 to 1.33 µM. Compounds showed strong binding to Mpro through molecular
docking studies were the flavonoids M228, M072, M160, M163, M023, binding
scores from -8.5 to -9.1 kcal.mol-1. All ligands had high affinity for the binding cavity
and protein in complexs was stable throughout the 50 ns dynamics simulation.
Conclusion

M228, M072, M160, M163, M023 have the potential to become inhibitors of
SARS-CoV-2 Mpro

.


.


MỤC LỤC
Danh mục các chữ viết tắt ........................................................................................... i
Danh mục các hình .................................................................................................... iii
Danh mục các bảng ................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................3
1.1. Tổng quan về SARS-CoV-2 và Mpro................................................................3
1.2. Tiềm năng phát triển thuốc COVID-19 từ dược liệu .......................................8
1.3. Nghiên cứu in silico ......................................................................................10
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ....................................................23
Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................26
2.1 Đối tượng nghiên cứu .....................................................................................26
2.2. Thiết kế nghiên cứu ........................................................................................27
2.3. Xây dựng mơ hình 3D-pharmacophore .........................................................28
2.4. Xây dựng mơ hình QSAR ..............................................................................31
2.5. Sàng lọc ảo các hợp chất tự nhiên ..................................................................35
2.6. Nghiên cứu gắn kết phân tử ..........................................................................35
2.7. Nghiên cứu mô phỏng động lực học phân tử .................................................38
Chương 3. KẾT QUẢ ...............................................................................................40
3.1. Xây dựng mơ hình sàng lọc 3D-pharmacophore dự đoán hoạt tính ức chế Mpro
SARS-CoV-2.........................................................................................................40
3.2. Xây dựng mơ hình QSAR dự đoán hoạt tính ức chế Mpro SARS-CoV-2 sử dụng
phương pháp máy học (machine learning). ...........................................................46
3.3. Ứng dụng hai mơ hình 3D-pharmacophore và QSAR đã xây dựng để sàng lọc
các hợp chất tự nhiên ............................................................................................47
3.4. Phân tích khả năng tương tác của các chất tiềm năng trên enzym Mpro SARSCoV-2 bằng phương pháp gắn kết phân tử (molecular docking)..........................51
3.5. Đánh giá độ ổn định của sự gắn kết thông qua mô phỏng động lực học phân tử
(molecular dynamics simulation) ..........................................................................59


.


.

Chương 4. BÀN ḶN ............................................................................................65
4.1. Xây dựng mơ hình sàng lọc 3D-pharmacophore dự đoán hoạt tính ức chế Mpro
SARS-CoV-2.........................................................................................................65
4.2. Xây dựng mơ hình QSAR dự đoán hoạt tính ức chế Mpro SARS-CoV-2 sử dụng
phương pháp máy học (machine learning) ............................................................70
4.3. Ứng dụng hai mơ hình 3D-pharmacophore và QSAR đã xây dựng để sàng lọc
các hợp chất tự nhiên ............................................................................................71
4.4. Phân tích khả năng tương tác của các chất tiềm năng trên enzym Mpro SARSCoV-2 bằng phương pháp gắn kết phân tử (molecular docking)..........................72
4.5. Đánh giá độ ổn định của sự gắn kết thông qua mô phỏng động lực học phân tử
(molecular dynamics simulation) ..........................................................................75
4.6. Tính mới của các cấu trúc tiềm năng ức chế Mpro SARS-CoV-2 được xác định
trong đề tài.............................................................................................................77
KẾT ḶN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................80
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ...............................82
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

.


.

i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

SARS-CoV-2

Severe acute respiratory
syndrome coronavirus 2

Virus corona gây hội chứng hô
hấp cấp tính nặng 2

SARS-CoV

Severe acute respiratory
syndrome coronavirus

Virus corona gây hợi chứng hơ
hấp cấp tính nặng

COVID-19

Coronavirus disease 2019

Bệnh virus corona 2019

Mpro


Main protease

Enzym thủy phân protein chính

WHO

World Health Organization

Tổ chức Y tế Thế giới

FDA

Food and Drug Administration

Cục quản lý Thực phẩm và
Dược phẩm Hoa Kỳ

IC50

50% Inhibitory Concentration

Nồng độ ức chế 50%

EC50

50% Effective Concentration

Nồng độ hiệu quả 50%

QSAR


Quantitative Structure and
Activity Relationship

Mối quan hệ định lượng giữa
cấu trúc và tác dụng sinh học

RMSE

Root Mean Square Error

Căn bậc hai của bình phương
trung bình của sai số

MDs

Molecular dynamics simulation

Mô phỏng động lực học phân
tử

RMSF

Root-Mean-Square Fluctuation

Dao động giá trị hiệu dụng

Se

Sensitivity


Độ nhạy

Sp

Specificity

Độ đặc hiệu

Acc

Accuracy

Độ đúng

GH

Güner-Henry

Điểm số Güner-Henry

.


.

ii

EF


Enrichment Factor

Tỷ lệ làm giàu

MLR

Multiple linear regression

Hời quy tuyến tính đa biến

PLS

Partial least squares

Bình phương tối thiểu từng
phần

SVM

Support vector machine

Máy vector hỗ trợ

RMSEC

Root Mean Square Error of
Calibration

Căn bậc hai của bình phương
trung bình sai sớ hiệu chỉnh


XRMSE

Cross-validated Root Mean
Square Error

Căn bậc hai của bình phương
trung bình sai sớ xác thực chéo

CCC

Concordance Correlation
Coefficient

Hệ số tương quan phù hợp

MAE

Mean Absolute Error

Sai số tuyệt đới trung bình

ANN

Artificial Neural Network

Mạng lưới thần kinh nhân tạo

RMSD


Root-Mean-Square Deviation

Đợ lệch gớc trung bình bình
phương

Rg

Radius of Gyration

Bán kính quay

SASA

Solvent-accessible surface area

Diện tích bề mặt tiếp xúc với
dung mơi

PDB

Protein Data Bank

Ngân hàng dữ liệu Protein

RF

Random Forest

Rừng ngẫu nhiên


MM

Molecular Mechanics

Năng lượng cơ học phân tử

PB(GB)SA

Poisson-Boltzmann
(Generalized-Born) Surface
Area

Diện tích bề mặt PoissonBoltzmann (Sinh ra tổng quát)

.


.

iii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Vị trí của SARS-CoV-2 trong sơ đờ phát sinh lồi24. ................................3
Hình 1.2. Sơ đờ cấu trúc của SARS-CoV-2. Cấu trúc virus chủ yếu được hình thành
bởi các protein cấu trúc như protein gai (S), màng (M), vỏ (E), nucleocapsid (N)30. 4
Hình 1.3. Cấu trúc ba chiều và khoang gắn của Mpro SARS-CoV-236. ......................5
Hình 1.4. Cơ chế kháng SARS-CoV-2 của các chất ức chế Mpro SARS-CoV-237. ....6
Hình 1.5. Cấu trúc các hợp chất tự nhiên có khả năng ức chế Mpro của SARS-CoV.9
Hình 1.6. Các hợp chất tự nhiên có tiềm năng ức chế Mpro SARS-CoV-2 ..............25
Hình 2.1. Quy trình nghiên cứu……………………………………………………27

Hình 2.2. Quy trình xây dựng mơ hình 3D-pharmacophore dựa vào phới tử ..........28
Hình 2.3. Quy trình xây dựng mơ hình 3D-pharmacophore dựa vào cấu trúc .........30
Hình 2.4. Quy trình xây dựng mơ hình QSAR .........................................................32
Hình 2.5. Hình minh họa cách biểu diễn cấu trúc dưới dạng MACCS ....................32
Hình 2.6. Sơ đờ q trình xây dựng mơ hình QSAR bằng phương pháp máy học ..33
Hình 2.7. Quy trình gắn kết phân tử .........................................................................35
Hình 3.1. Cấu trúc các hợp chất trong tập dữ liệu xây dựng mơ hình 3Dpharmacophore và giá trị hoạt tính ức chế Mpro SARS-CoV-2 (IC50)4,7,42,111-122……42
Hình 3.2. Mơ hình 3D-pharmacophore A01, A02, A03, A04 (trong đó: Hyd (màu
xanh lá) là nhóm kỵ nước, Acc2 (màu xanh da trời) là nhóm nhận liên kết hydro dự
kiến; khoảng cách giữa các điểm truy vấn tính bằng đơn vị Å) ...............................43
Hình 3.3. Sự gióng hàng các ligand lên mơ hình A01 (A) và mơ hình A01-S với vùng
ligand shape (B) ........................................................................................................44
Hình 3.4. Mơ hình R01 (A) (trong đó: Hyd (màu xanh lá) là nhóm kỵ nước, Acc (màu
xanh da trời) là nhóm nhận liên kết hydro; khoảng cách giữa các điểm truy vấn tính
bằng đơn vị Å) và mơ hình R01-V sau khi cải thiện bằng vùng thể tích loại trừ (B)
...................................................................................................................................45
Hình 3.5. Mới liên quan giữa giá trị pIC50 thực nghiệm so với dự đoán. Các chất trong
tập xây dựng (màu xanh) và tập kiểm tra (màu đỏ). .................................................47

.


.

iv

Hình 3.6. Mợt sớ cấu trúc thỏa mơ hình pharmacophore R01-V. Trong đó, đường
tròn màu xanh lá là vùng kỵ nước, đường tròn màu xanh dương là điểm nhận liên kết
hydro..........................................................................................................................48
Hình 3.7. Kết quả re-docking ligand N3 vào protein (PDB ID: 6LU7). (a) ligand N3

trước (màu xanh) và sau docking (màu vàng) trong khoang xúc tác. Tương tác của
ligand với các acid amin tại khoang xúc tác của protein trước re-docking (b: dạng 3D)
và (d: dạng 2D) và sau re-docking (c: dạng 3D) và (e: dạng 3D). Với nét xanh lá là
liên kết hydro, nét hồng là liên kết kỵ nước ..............................................................51
Hình 3.8. Các flavon monoglycosid và điểm sớ gắn kết vào Mpro SARS-CoV-2 ....53
Hình 3.9. Các flavon M228 (màu đỏ), M072 (màu xanh lá cây), M160 (màu vàng),
M163 (màu cam) và M149 (màu tím) trong khoang gắn Mpro SARS-CoV-2 (PDB:
6LU7) và tương tác 2D tương ứng. Với nét xanh lá là liên kết hydro, nét hồng, vàng
là liên kết kỵ nước .....................................................................................................54
Hình 3.10. Các flavonoid diglycosid và điểm sớ gắn kết .........................................55
Hình 3.11. Các flavonoid diglycosid M070 (màu đỏ), M144 (màu xanh lá cây), M023
(màu vàng), M163 (màu cam) và M149 (màu tím) trong khoang gắn Mpro SARSCoV-2 (PDB: 6LU7) và tương tác 2D tương ứng. Với nét xanh lá là liên kết hydro,
nét hồng là liên kết kỵ nước ......................................................................................56
Hình 3.12. Các hợp chất được lựa chọn cho nghiên cứu mơ phỏng đợng lực học phân
tử................................................................................................................................58
Hình 3.13. Giá trị RMSD của backbone của protein (PDB ID: 6LU7) trong q trình
mơ phỏng đợng lực học 50 ns ...................................................................................59
Hình 3.14. Giá trị RMSF của protein (PDB ID: 6LU7) trong quá trình mơ phỏng
đợng lực học 50 ns ....................................................................................................60
Hình 3.15. Tổng diện tích bề mặt có thể tiếp cận dung mơi (SASA) của protein (PDB
ID: 6LU7) ..................................................................................................................61
Hình 3.16. Bán kính quay (Rg) của protein (PDB ID: 6LU7) trong q trình mơ
phỏng động lực học 50 ns .........................................................................................62

.


.

v


Hình 3.17. Năng lượng gắn kết tự do của M023, M072, M160, M163 và M228 với
Mpro SARS-CoV-2 trong quá trình mơ phỏng đợng lực học 50 ns ...........................63
Hình 4.1. Cấu trúc tổng quát cho chất tiềm năng ức chế Mpro SARS-CoV-2 khung
flavonoid…………………………………………………………………………...74

.


.

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các chất ức chế Mpro có khả năng kháng SARS-CoV-2 ............................7
Bảng 2.1. Danh sách phần mềm và công cụ sử dụng................................................ 27
Bảng 2.2. Các siêu tham số được điều chỉnh ............................................................34
Bảng 3.1. Kết quả đánh giá mô hình 3D-pharmacophore..........................................43
Bảng 3.2. Kết quả đánh giá mô hình R01 và mô hình R01-V ..................................45
Bảng 3.3. Kết quả đánh giá mô hình ........................................................................46
Bảng 3.4. Giá trị dự đoán hoạt tính ức chế Mpro của các hợp chất tự nhiên .............49
Bảng 3.5. Tần suất liên kết hydro với Glu166 và His163 giữa ligand M228, M160,
M023 và M163 với Mpro............................................................................................63
Bảng 3.6. Năng lượng gắn kết tự do của M023, M072, M160, M163 và M228 với
Mpro SARS-CoV-2 từ dữ liệu mô phỏng động lực học 50 ns (đơn vị: kcal.mol-1) ...64

.


.


1

MỞ ĐẦU
Đại dịch COVID-19 vẫn đang là mối lo ngại đới với sức khỏe tồn cầu đặc
biệt là sự xuất hiện của một số biến thể SARS-CoV-2 cho thấy độc lực mạnh hơn, lây
lan nhanh và giảm hiệu quả điều trị hoặc giảm hiệu quả của vaccine, như dòng B.1.1.7
(Biến thể Alpha) ở Vương q́c Anh, dịng B.1.351 (Biến thể Beta) ở Nam Phi, dòng
P1 (Biến thể Gamma) ở Brazil, dịng B.1.617.2 (Biến thể Delta) ở Ấn Đợ1. Trước tình
hình này, việc tiếp tục phát triển thuốc điều trị COVID-19 trên các mục tiêu ít bị đợt
biến là cần thiết.
Main protease (Mpro) là một protein phi cấu trúc giữ vai trò quan trọng trong
việc phân cắt polyprotein thành các protein cần thiết cho sự nhân lên của SARS-CoV22. Đặc biệt, Mpro được bảo tồn cao ở virus corona cả về cấu trúc và trình tự peptid3.
Mặc dù hiện tại chưa có thuốc điều trị COVID-19 trên mục tiêu Mpro, tuy nhiên, các
chất ức chế Mpro như GC3764, boceprevir5, narlaprevir5, N36, chất ức chế calpain (I,
II, XII)3 bước đầu đã cho thấy khả năng kháng SARS-CoV-2 in vitro và làm giảm
đáng kể lượng virus ở phổi trong mơ hình cḥt chủn gen nhiễm SARS-CoV-27.
Chất ức chế Mpro (CHEBI:172918) được phát triển bởi Pfizer đang bước vào thử
nghiệm lâm sàng giai đoạn I8. Do đó, Mpro là mục tiêu tiềm năng để phát triển thuốc
điều trị COVID-19.
Ở Trung Quốc, thuốc Đông y đã có mặt trong liệu pháp điều trị của khoảng
85% bệnh nhân mắc COVID-19 từ nhẹ, vừa đến nghiêm trọng9. Các kết quả lâm sàng
cho thấy, thuốc Đông y có thể làm giảm rõ rệt các triệu chứng chính như sốt, ho và
thúc đẩy sự hồi phục của bệnh nhân10. Điều này gợi ý, mợt hợp chất tự nhiên có khả
năng ức chế Mpro của SARS-CoV-2 có thể mang lại cơ hợi lớn để phát triển th́c
điều trị COVID-19. Vì vậy, đánh giá và xác định các cấu trúc hợp chất tự nhiên có
tiềm năng trên mục tiêu Mpro là cần thiết.

.



.

2

Nghiên cứu kết hợp nhiều kỹ thuật in silico như kết hợp nghiên cứu gắn kết
phân tử và nghiên cứu mô phỏng động lực học phân tử trên Mpro SARS-CoV-2 đã thu
được các hợp chất tự nhiên tiềm năng như kaempferol11, epigallocatechin gallat12,
theaflavin13, rutin13, hypericin13, robustaflavon13, mangiferin14, glucogallin14,
phlorizin14, pilosin15, …. Một số chất sau khi thử nghiệm in vitro đã cho thấy hoạt
tính ức chế Mpro SARS-CoV-2 như epigallocatechin gallat và theaflavin16, hoặc
kháng SARS-CoV-2 như kaempferol11. Tuy nhiên, việc kết hợp những kỹ thuật in
silico vẫn cịn rất ít ở Việt Nam. Đa phần nghiên cứu in silico trên Mpro SARS-CoV2 ở Việt Nam vẫn là nghiên cứu với phương pháp molecular docking17-19.
Với mục tiêu xác định các hợp chất tự nhiên có tiềm năng ứng chế enzym Mpro
của SARS-CoV-2 thông qua kết hợp các kỹ thuật in silico đề tài được thực hiện với:
Mục tiêu tổng quát “Nghiên cứu mơ hình dự đốn in silico khả năng ức chế của
các hợp chất tự nhiên trên Mpro của SARS-CoV-2”
Mục tiêu cụ thể:
1. Xây dựng mơ hình sàng lọc 3D-pharmacophore dự đoán hoạt tính ức chế Mpro
SARS-CoV-2
2. Xây dựng mơ hình QSAR dự đoán hoạt tính ức chế Mpro SARS-CoV-2 sử dụng
phương pháp máy học (machine learning)
3. Ứng dụng hai mô hình 3D-pharmacophore và QSAR đã xây dựng để sàng lọc các
hợp chất tự nhiên
4. Phân tích khả năng tương tác của các chất tiềm năng trên enzym Mpro SARS-CoV2 bằng phương pháp gắn kết phân tử (molecular docking)
5. Đánh giá độ ổn định của sự gắn kết thông qua mô phỏng động lực học phân tử
(molecular dynamics simulation).

.



.

3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ SARS-COV-2 VÀ MPRO
1.1.1. Nguồn gốc và khả năng gây bệnh
SARS-CoV-2 (virus corona gây hợi chứng hơ hấp cấp tính nặng 2) cịn được
gọi với tên 2019-nCoV (virus corona mới 2019) là virus gây ra bệnh viêm đường hô
hấp cấp do virus corona 2019 (COVID-19), xuất hiện lần đầu tiên vào tháng 12 năm
2019 ở thành phố Vũ Hán, Trung Quốc và bắt đầu lây lan nhanh chóng trên tồn
cầu20. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã công bố bệnh COVID-19 là đại dịch vào
ngày 11 tháng 3 năm 202021. Trên toàn thế giới, tính đến ngày 30 tháng 11 năm 2022,
đã có 639.132.486 trường hợp nhiễm COVID-19, trong đó có 6.614.082 tử vong
( Ở Việt Nam, theo báo cáo của Bộ Y tế, tính đến ngày 30
tháng 11 năm 2022 đã có 11.515.423 trường hợp nhiễm, 43.172 trường hợp vong
( />Theo hệ thống phân loại, SARS-CoV-2 thuộc chi Betacoronavirus, phân họ
Orthocoronavirinae, họ Coronaviridae, bợ Nidorirales24 (Hình 1.1).

Hình 1.1. Vị trí của SARS-CoV-2 trong sơ đờ phát sinh lồi24.

.


.

4

Họ Coronaviridae là họ virus RNA mạch đơn, sợi dương (+) lây nhiễm ở

người và động vật, các virus trong họ này được gọi là virus corona (CoV)25. Phân họ
Orthocoronavirinae có 4 chi, tuy nhiên, mới quan tâm chủ yếu nằm ở chi
Betacoronavirus do khả năng gây bệnh nghiêm trọng trên người. Chi này bao gồm
virus corona gây hội chứng hơ hấp cấp tính nặng (SARS-CoV), virus corona gây hợi
chứng hơ hấp Trung Đơng (MERS-CoV) và SARS-CoV-224.
Đặc điểm điển hình của bệnh nhân nhiễm SARS-CoV-2 là viêm phổi, thời
gian ủ bệnh khoảng 5,1 ngày, phần lớn bệnh nhân sẽ có các triệu chứng trong vòng
11,5 ngày kể từ ngày nhiễm bệnh26. Các dấu hiệu và triệu chứng thường gặp nhất là
sớt và ho; ngồi ra, khó thở, đau cơ, đau đầu, đau ngực, tiêu chảy, ho ra máu, tiêu ra
máu, buồn nôn và nôn, đau họng, lú lẫn, chán ăn cũng được báo cáo27,28. Các dữ liệu
cho thấy, SARS-CoV-2 rất dễ lây lan, mặc dù không gây tử vong như SARS-CoV29.
1.1.2. Bộ gen và cấu trúc
Hạt virus SARS-CoV-2 có dạng hình cầu hoặc đa hình, đường kính hạt từ 60140 nm với các gai dài khoảng 8-12 nm20 (Hình 1.2).

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc của SARS-CoV-2. Cấu trúc virus chủ yếu được hình thành
bởi các protein cấu trúc như protein gai (S), màng (M), vỏ (E), nucleocapsid (N)30.
Bộ gen SARS-CoV-2 có kích thước khoảng 29,8 kilobase, với hàm lượng G
+ C là 38%, tổng cộng gồm 6 khung đọc mở (ORF) và một số gen phụ khác31. Bốn
loại protein cấu trúc chính của virus gờm (i) protein gai - glycoprotein trimeric Spike

.


.

5

(S) khu trú trên bề mặt vỏ virus và cần thiết cho sự xâm nhập của virus vào tế bào vật
chủ; (ii) protein màng (M) và (iii) protein vỏ nhỏ (E) cần thiết cho việc gắn và giải
phóng virion; (iv) protein nucleocapsid (N), liên kết với RNA tạo thành nucleocapsid

đối xứng xoắn32 (Hình 1.2).
Ngồi các protein cấu trúc, bợ gen virus cịn mã hóa cho các protein phi cấu
trúc bao gờm RNA-dependent RNA polymerase (RdRp)33, main protease (Mpro) hay
cịn gọi là protease giống 3-chymotrypsin (3-chymotrypsin-like protease - 3CLpro)3
và protease giống papain (papain-like protease - PLpro)34.
1.1.3. Tổng quan về Mpro của SARS-CoV-2
Đặc điểm cấu trúc: Cấu trúc enzym Mpro gồm ba miền, miền I (residue 8-101),
miền II (residue 102-184) và miền III (residue 201-303)6. Hai miền đầu tiên có cấu
trúc β-barrel đối xứng, miền thứ ba gồm 5 α-helix tạo thành một khối đối xứng và nối
với miền II bởi một vùng vịng lặp dài (residue 185-200)6. Mpro của SARS-CoV-2 có
cặp xúc tác Cys-His và vị trí liên kết cơ chất nằm trong khe giữa miền I và miền II
tương tự như Mpro của các virus corona khác (Hình 1.3)3,6. Khoang gắn có các vùng
gắn kết chính tạo thành các khoang gắn phụ (subpocket) S1, S1′, S2, S3 và S435.

Hình 1.3. Cấu trúc ba chiều và khoang gắn của Mpro SARS-CoV-235.

.


.

6

Cơ chế: Sự sao chép của virus corona được thực hiện qua trung gian của mợt
phức hợp hình thành từ hai polyprotein được dịch mã từ RNA của virus, các
polyprotein này bị phân cắt ở ít nhất 11 vị trí xung quanh đầu C và vùng trung tâm
bởi tác động của các gốc xúc tác trong Mpro tạo thành các protein phi cấu trúc quan
trọng cần thiết cho sự nhân lên của virus. Trình tự nhận dạng ở hầu hết các vị trí là
Leu-Gln ↓ (Ser, Ala, Gly) (ký hiệu ↓: đánh dấu vị trí phân cắt)2. Ức chế hoạt động
của Mpro sẽ ngăn chặn sự nhân lên của virus3, cơ chế quá trình này được thể hiện ở

Hình 1.4.

Hình 1.4. Cơ chế kháng SARS-CoV-2 của các chất ức chế Mpro SARS-CoV-236.
Nhiều hợp chất ức chế Mpro SARS-CoV-2 đã được báo cáo trong các nghiên
cứu gần đây3-7,37-45, trong đó, một số hợp chất cho thấy khả năng kháng SARS-CoV2 trong ống nghiệm3-5,37 hoặc làm giảm đáng kể lượng virus ở phổi và giảm tổn
thương phổi trong mơ hình cḥt chủn gen nhiễm SARS-CoV-27. Hợp chất
PF00835231 (CHEBI:172918) được phát triển bởi Pfizer đang bước vào thử nghiệm
lâm sàng giai đoạn I5,8 (Bảng 1.1).

.


.

7

Bảng 1.1. Các chất ức chế Mpro có khả năng kháng SARS-CoV-2
Hợp chất

IC50 (μM)
EC50 (μM)
ức chế Mpro
kháng
SARS-CoV-2 SARS-CoV-2

Giai
đoạn

Tài liệu
tham

khảo

-

16,77 ± 1,70

Tiền
lâm
sàng

6

0,67 ± 0,18

4-5

Tiền
lâm
sàng

3

0,053 ± 0,005

0,53 ± 0,01

Tiền
lâm
sàng


N3

13b

11a
37

0,72 ± 0,09

Tiền
lâm
sàng

1,31 ± 0,58

Thuốc
điều trị
viêm
gan C

0,97 ± 0,27

2,07 ± 0,76

Tiền
lâm
sàng

0,45 ± 0,06


0,49 ± 0,18

Tiền
lâm
sàng

0,040 ± 0,002
11b

4,14 ± 0,61

Boceprevir

Chất ức chế calpain II

Chất ức chế calpain XII

.

4