一種基于NanoBiT 互補以發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2 S 蛋白與ACE2 結合抑制劑的高通量篩選方法

張志恒，劉建喜

（南通大學 特種醫(yī)學研究院，江蘇 南通 226019）

由嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2 型感染引起的新冠感染（CoronaVirus Disease 2019，簡稱SARS-CoV-2），給世界各地的醫(yī)療服務和經(jīng)濟發(fā)展帶來了困擾[1-2]。目前，新型冠狀病毒感染肺炎已納入我國傳染病防治法規(guī)定的乙類傳染病，世衛(wèi)組織也宣布新冠疫情不再構成“國際關注的突發(fā)公共衛(wèi)生事件”。但數(shù)據(jù)表明，65 歲以上人群，特別是男性，新冠感染后還有可能出現(xiàn)嚴重的癥狀[3]。再者，輝瑞公司注冊的新冠病毒治療藥物奈瑪特韋片/利托那韋片組合包裝（即Paxlovid）價格昂貴，難以普及。因此，還需研發(fā)治療新冠感染的新型藥物。已有研究確認，ACE2 是SARS-CoV 的功能性受體[4]，SARS-CoV-2 RBD 和ACE2 結合模式與SARS-CoV RBD 幾乎相同[5]。因此，一個備受關注的治療靶點是SARS-CoV-2 刺突蛋白與宿主受體ACE2 之間的相互作用[6]，本文主要圍繞ACE2 和RBD 設計實驗方案展開研究。

藥物再利用是為已批準或正在研究的藥物確定新用途的過程，與新藥發(fā)現(xiàn)過程相比，因其大大節(jié)約了時間和成本，而被視作一種非常有效的藥物發(fā)現(xiàn)策略。包括植物提取物在內(nèi)的傳統(tǒng)中藥具有潛在的抗冠狀病毒能力，可用于治療藥物的開發(fā)[7-12]。因此，本文高通量篩選的化合物庫包括自然活性化合物庫和FDA 批準的藥物庫，其中一些化合物是中藥材中的有效成分，以期為中藥用于治療新冠感染提供有益探索。

目前，對于發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2 的抗病毒藥物的高通量篩選方法很多，包括虛擬篩選[13-14]、熒光共振能量轉移（FRET）[15-16]、GFP 互補分裂方法[17]、基于ELISA 的高通量篩選[18]等。生物發(fā)光反應廣泛用于高通量篩選，NanoLuc（NLuc）作為一種新型生物發(fā)光平臺，與其他熒光素酶發(fā)光體系相比，具備更好的酶學穩(wěn)定性、更小的分子量和更強的發(fā)光強度。此外，NLuc 的底物表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和更低的背景活性。因此，本文擬運用NLuc 發(fā)光系統(tǒng)開發(fā)新的高通量篩選方法，以發(fā)現(xiàn)SARSCoV-2 RBD 和ACE2 互作的抑制劑。

1 實驗方法

1.1 化合物庫

本研究中用于高通量篩選SARS-CoV-2 RBD 和ACE2 相互作用抑制劑的化合物庫是FDA 批準的藥物庫（Targetmol 公司）和天然生物活性化合物庫（Targetmol 公司）?；衔锶芙庥贒MSO，濃度為10 mM，保存溫度-80 ℃。

1.2 實驗細胞

健康的人胚胎腎細胞HEK 293 購于Obio 公司，其細胞狀態(tài)與培養(yǎng)條件都符合實驗基本要求。

1.3 主要儀器和試劑

儀器：普通PCR 儀（Life Technology 公司）、瓊脂糖凝膠電泳系統(tǒng)（六一公司）、電泳儀和轉膜儀全套（Bio-Rad Laboratories 公司）、CO2細胞恒溫培養(yǎng)箱（Thermo 公司）、核酸蛋白定量檢測儀（Eppendorf 公司）、激光共聚焦顯微鏡SP8（Leica公司）、色紅外激光成像系統(tǒng)（ODYSSEY 公司）、自動移液工作站（Apricot 公司）、多功能酶標儀（Tecan公司）、化學發(fā)光凝膠成像系統(tǒng)（Bio-Rad 公司）。

1.4 方法

1）細胞模型制備。DNA 片段RBD、ACE2、SmBiT 和LgBiT 由Genecreate 公司合成。在50 μL體系中用100 ng DNA 片段進行PCR 擴增，退火條件為60 ℃、20 s，延伸條件為72 ℃、10 s。在1 %瓊脂糖凝膠中電泳，恒壓150 V，22 min。在化學發(fā)光凝膠成像儀紫外照射下將目的片段切下并用MonarchDNA Gel Extraction Kit 回收DNA 片段。將載體pLVX-IRES-hyg 用XhoI 和XbaI 雙酶切，100 μL 體系中各2 μL 酶，37 ℃，2 h。將目的片段與載體連接，10 μL 體系中加入2 μL DNA片段和1 μL 載體，50 ℃，15 min。在50 μL 感受態(tài)細胞中加入2 μL 連接產(chǎn)物，冰浴30 min 后42 ℃水浴熱激40 s，用玻璃三腳架均勻涂抹在LB 固體培養(yǎng)基中，倒置于30 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)12～16 h。出現(xiàn)單菌落時用槍尖挑單克隆菌置入2 mL LB 液體培養(yǎng)基中，在搖床上培養(yǎng)，條件為30 ℃，220 r/min，12～16 h。用快速質粒DNA 小量提取試劑盒提取目標質粒后，進行酶切鑒定并送Genecreate 公司測序，確保序列正確。將目標質粒對應的菌進行大量培養(yǎng)，根據(jù)需求用高純度質粒小提中量提取試劑盒或無內(nèi)毒素質粒中量提取試劑盒進行大量提取質粒。將目標質粒轉染HEK 293 細胞，將質粒與Lipofectamine 2000 以1∶3 比例混合均勻，靜置20 min 后加入細胞培養(yǎng)基Opti-MEM 中，6 h 后換成完全培養(yǎng)基。

2）細胞免疫熒光。在12 孔細胞培養(yǎng)板中加入細胞爬片，每孔加入500 μL PDL 進行包被，用dd H2O 清洗后晾干。將轉染24 h 后的細胞消化后鋪至12 孔細胞培養(yǎng)板。第二天用PBS 將細胞清洗三次，搖床最慢速，每次3 min，再用4 %PFA 固定細胞，固定20 min，吸掉PFA，用PBS 清洗3 次，每次3 min，用1 % BSA 室溫封閉2 h，將1 % BSA 吸出，加入配好的一抗，保持4 ℃過夜。第二天在室溫復溫1 h，細胞用PBS 在搖床上清洗3 次，每次清洗3 min，用0.01 M PBS 稀釋二抗，在室溫避光孵育2 h，用PBS 在搖床上清洗3 次，每次清洗3 min，避光，將細胞晾干，將載玻片從培養(yǎng)板中取出，蓋玻片上加入封片劑，將載玻片反扣在蓋玻片上。晾干后，在共聚焦顯微鏡下拍片。

3）蛋白質印跡。將轉染24 h 后的細胞用預冷的PBS 洗2 遍，加入200 μL 配制好的裂解液，用細胞刮從皿底刮下細胞后，吸入1.5 mL EP 管中，冰浴30 min，14 000 r/min、20 min、4 ℃離心，將上清液吸至1.5 mL EP 管。蛋白定量后，確定每孔蛋白上樣量為30 μg，配制蛋白上樣體系后，100 ℃，5 min，進行蛋白變性。配制10 %下層分離膠和5 %上層濃縮膠，加樣，開始電泳，恒壓80 V，把電流調到最大，待marker 分開后電壓調到110 V，待溴酚藍到分離膠的底部時停止電泳。根據(jù)目的蛋白的分子量對照marker 的條帶切割需要的部分，浸泡在轉膜液中。PVDF 膜在甲醇中激活2 min，按照負極→多孔濾墊→濾紙→凝膠→PVDF 膜→濾紙→多孔濾墊→正極的順序進行轉膜，恒流300 mA，90 min。用5 %脫脂奶粉或者5 % BSA 在搖床上封閉2 h，用5 %脫脂奶粉或者5 % BSA稀釋抗體，4 ℃孵育一抗過夜。第二天將膜從冰箱中取出，室溫放置1 h，回收抗體，膜用TBST 緩沖液緩慢搖動洗滌15 min，共洗3 次，用5 %脫脂奶粉或者5%BSA 稀釋二抗，室溫避光孵育2 h，回收抗體，膜用TBST 緩沖液緩慢搖動洗滌15 min，共洗3 次，使用Odyssey 紅外成像機器顯影。

4）優(yōu)化藥物篩選條件。將轉染RBD-SmBiT和LgBiT-ACE2 24 h 和48 h 的細胞上清收集起來，分別用DMEM 稀釋2 倍、4 倍、8 倍、16 倍和32倍，每孔加入10 μL RBD-SmBiT 和10 μL LgBiTACE2，離心。將5 μL 含有0%、0.25%、0.5%、1%等不同濃度DMSO 的DMEM 加到孔中以構成25 μL 體系，離心。加入25 μL Nano-GloHiBiT Extracellular Detection System 檢測試劑。離心，用Tecan Spark 多功能酶標儀讀板。熒光檢測時間分別為加檢測試劑后1 min、5 min、10 min、15 min。

5）篩藥流程。用移液工作站在384 孔板每孔中加入10 μL 稀釋的RBD-SmBiT。將5 μL 100 μM的化合物加入板中，混合并離心到孔底。將板在室溫下放置30 min，以使化合物與RBD 完全結合。A2-D2 為0.5 % DMSO，M23-P23 為100 nM 未標記的RBD。加入10 μL 稀釋的LgBiT-ACE2，混合并離心。所有板在室溫下放置30 min。每孔加入25 μL Nano 熒光檢測試劑，混勻，離心。室溫孵育10～20 min 后，讀板。

1.5 統(tǒng)計學分析

使用GraphPad Prism（version 8.01）進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和繪圖。計算Z′因子，公式為Z′=1-，其中：σ 為標準差，μ表示平均值，c+是陽性對照，c-是陰性對照。

2 實驗與結果

2.1 實驗設計

NanoBiT 的檢測原理是將熒光素酶亞基LgBiT 和低親和力SmBiT 融合至兩個能夠相互作用的蛋白質末端。推測SmBiT 和LgBiT 間親和力較低，不易互相結合，只有當RBD 和ACE2 結合時，才能將SmBiT 和LgBiT 帶到一起，互補形成功能復合體，使熒光素酶具備活性，此時加入底物將會有熒光。當有理想的小分子化合物阻斷RBD和ACE2 相互作用時，熒光素酶將不具備活性，加入底物將不會有熒光（如圖1），從而可篩選出小分子化合物。

圖1 ACE2/RBD-NanoBiT 檢測設計

圖1 中，ACE2 和RBD 與NanoBiT 融合，三角形部分是SmBiT 的短肽，圓形部分是LgBiT 的長肽，長方形部分分別是RBD 和ACE2。當ACE2和RBD 的相互作用被理想的抑制劑阻斷時，兩個熒光素酶亞基分離，失去酶活性，不會催化底物產(chǎn)生熒光。

2.2 RBD-SmBiT 和LgBiT-ACE2 熒光素酶活性的表達

構建LgBiT-ACE2，SARS-CoV-RBD-SmBiT和SARS-CoV-2-RBD-SmBiT 的過表達質粒，過表達質粒在10 %瓊脂糖凝膠電泳中的成像如圖2。為確定設計的RBD-SmBiT 和LgBiT-ACE2能分泌至細胞培養(yǎng)基中并具有熒光素酶活性，在12 孔板中將少量pLVX-RBD-SmBiT-hyg 和pLVX-LgBiT-ACE2-hyg 轉染HEK 293 細胞。轉染48 小時后，在細胞膜上檢測到少量綠色熒光信號，如圖3a）、b）、c）。

圖2 LgBiT-ACE2，SARS-CoV-RBD-SmBiT和SARS-CoV-2-RBD-SmBiT 過表達質粒

圖3 ACE2/RBD-NanoBiT 的表達

轉染48 h 后分別收集細胞培養(yǎng)基和細胞。用PBS 洗滌細胞兩次以去除培養(yǎng)基中任何可能的分泌熒光素酶。測量20 μL 上清液和20 μL 完全培養(yǎng)基中10 k 細胞的熒光素酶活性。結果表明，RBD-SmBiT 和LgBiT-ACE2 主要分泌至細胞培養(yǎng)基，RLU 為150 k，而在細胞中表達較少，只有37 k RLU，如圖3d）。對于SARS-CoV-2，RLU 值分別為170 k 和40 k，如圖3e）。未轉染的細胞和相應上清液的發(fā)光背景為50～200 RLU。

用25 μL 上清液進行進一步免疫印跡實驗，檢測到大小約110 ku 的蛋白質條帶，接近LgBiTACE2 的預期值，如圖3f）。檢測到的大小為35 ku的蛋白質接近于RBD-SmBiT 的預期值，如圖3g）、h）。表明所設計的ACE2/RBD-NanoBiT 實驗滿足進一步測定的要求。

綜上可知：圖3 中a）—c）顯示在轉染48 h后細胞表面檢測到少量LgBiT-ACE2 和RBDSmBiT；d）、e）表明LgBiT-ACE2 和RBD-SmBiT主要分泌到細胞培養(yǎng)基中；f）—h）表明細胞表達的LgBiT-ACE2 和RBD-SmBiT 的分子量接近預期大小。

2.3 ACE2/RBD-NanoBiT 檢測的優(yōu)化

用于篩選數(shù)千種化合物的高通量篩選分析方法需要廣泛優(yōu)化和評估，以驗證分析其性能是否滿足要求。RBD-SmBiT 和LgBiT-ACE2 的小樣本實驗經(jīng)過熒光素酶測試后，用慢病毒轉導的HEK 293細胞產(chǎn)生了大量的RBD-SmBiT 和LgBiT-ACE2。

首先，對RBD-SmBiT 和LgBiT-ACE2 進行稀釋倍數(shù)的優(yōu)化。純化的RBD-SmBiT 和LgBiTACE2 分別稀釋2、4、8、16 和32 倍，熒光素酶的信號最高達1000 k RLU 左右，見圖4a）。根據(jù)發(fā)光值確定RBD-SmBiT 稀釋4 倍，LgBiT-ACE2 稀釋2 倍。

圖4 ACE2/RBD-NanoBiT 檢測的優(yōu)化

圖4 中，a）為優(yōu)化RBD-SmBiT 和LgBiTACE2 的稀釋倍數(shù)。將純化的蛋白質分別稀釋2，4，8，16 和32 倍，然后以1 ∶1 的體積比加入檢測試劑，試劑添加1，5，10，15 min 后收集信號；b）為優(yōu)化DMSO 濃度。將稀釋的RBD-SmBiT、LgBiT-ACE2 與0，0.25 %，0.5 %，1 % DMSO 混合后加至384 孔板，再加入檢測試劑，1，5，10，15 min 后測量發(fā)光值；c）為在稀釋好的RBDSmBiT、LgBiT-ACE2 和0.5 % DMSO 體系中，測量未標記RBD 的IC50。

其次，優(yōu)化反應體系中合適的DMSO 濃度。將2 倍稀釋的LgBiT-ACE2 和4 倍稀釋的RBDSmBiT 與0 %，0.25 %，0.5 %，1 % DMSO 混合，加至384 孔板內(nèi)檢測。結果表明，0.5 % DMSO 既使化合物保持良好溶解，又能保持酶活性不受明顯影響，見圖4b）。

最后，為了驗證酶的特異性，在2 倍稀釋的LgBiT-ACE2、4 倍稀釋的RBD-SmBiT 和0.5 %DMSO 體系中，用未標記的RBD 在384 孔板中進行評估。未標記RBD 的IC50為47.95 nM，如圖4c）。結果表明，所建立的ACE2/RBD-NanoBiT 檢測適用于高通量篩選以發(fā)現(xiàn)ACE2 和RBD 互作的抑制劑。

2.4 采用ACE2/RBD-NanoBiT 方法高通量篩選藥物

在優(yōu)化測定關鍵條件后，將小型的預實驗轉為以384 孔板的格式進行藥物篩選。原始化合物庫以384 孔格式購買，濃度為10 mM。子化合物庫用含2.5 % DMSO 的DMEM 稀釋為100 μM。在第3 列和第22 列之間測試了化合物。詳細過程見圖5。

圖5 SARS-CoV-2 RBD 與ACE2 互作抑制劑的高通量篩選過程

圖5 中：a）用移液工作站在384 孔板每孔中加入10 μL 稀釋的RBD-SmBiT；b）將5 μL 100 μM的化合物加入板中，混合并離心到孔底，將實驗板在室溫下放置30 min，以使化合物與RBD 完全結合，A2-D2 為0.5 % DMSO，M23-P23 為100 nM未標記的RBD；c）加入10 μL 稀釋的LgBiTACE2，混合并離心；d）所有實驗板在室溫下放置30 min；e）每孔加入25 μL 檢測試劑，混勻，離心；f）室溫孵育10～20 min 后，讀板。

使用優(yōu)化的ACE2/RBD-NanoBiT 測定法共篩選6 400 種化合物，其中10 塊板藥物來自FDA批準的藥物庫，另外10 塊來自天然生物活性化合物庫。每板設置4 孔陽性對照（100 nM 未標記的RBD）和陰性對照（0.5 % DMSO）進行質量控制。對照實驗顯示，陰性和陽性對照間產(chǎn)生了較大的分離帶，HTS Z′=0.7。結果證明了該方法的可靠性，見圖6a）。所有數(shù)據(jù)點都用對應實驗板中的陰性對照進行歸一化處理，散點分布如圖6b）所示。

圖6 ACE2/RBD-NanoBiT 檢測的評估

圖6a）為每塊板設置4 孔陽性對照（100 nM未標記的RBD）和4 孔陰性對照（0.5 % DMSO），共篩選了20 塊化合物板所繪制的散點圖。由圖6b）可見，共測試了6 400 種化合物，多數(shù)是不影響RBD 和ACE2 的沉默化合物，樣品值與對照值的比值在1 左右，比值小于0.5 的化合物被認為具有抑制作用。

3 結論

本文所開發(fā)的NanoBiT 互補方法對蛋白—蛋白相互作用具有更加突出的準確性，小蛋白標簽對目的蛋白構象干擾小。大多數(shù)實驗室可開展類似實驗，對一些化合物進行小批量蛋白互作抑制劑活性分析。該測定法具有靈敏度高、速度快、信號強、成本可控等優(yōu)點，檢測相對簡單、經(jīng)濟，也可用于高通量篩選，具有一定的普遍適應性。

NLuc 能很好地應用于高通量篩選受體或蛋白相互作用的激動劑和抑制劑。如使用NLuc作為報告基因來檢測細胞膜上受體內(nèi)在化的情況[19]，利用NLuc 熒光素酶高通量篩選抗體[20]。NLuc 可以分成HiBiT 和LgBiT 兩個亞基[21]，或SmBiT 和LgBiT兩個亞基。其區(qū)別是，HiBiT 與LgBiT 的親和力比SmBiT 與LgBiT 的親和力高，前兩者能自發(fā)形成NLuc 功能性復合物，而后兩者因較低的親和力，不易自發(fā)形成完整的NLuc 熒光素酶。SmBiT 與LgBiT 的結合需要借助外力，當兩個蛋白相互作用時，才能把兩個NLuc 亞基帶到一起，此時距離足夠近，兩個亞基才能互補形成NLuc。

通常在初次高通量篩查中存在許多假陽性命中。在多數(shù)情況下，主要命中率約為2 %～3 %[22]。在ACE2/RBD-NanoBiT 分析中，剔除明顯的假陽性命中后[23]，如果將抑制效果為60 %的化合物作為潛在抑制劑，則有136 個（2.12 %）命中，表明命中百分比相對合理。假陰性和假陽性命中可能由多種因素引起，包括但不限于以下原因：第一，與NLuc 結合并抑制NLuc 活性的化合物可能模擬ACE2 和RBD 的抑制劑；第二，激活NLuc 熒光素酶的化合物可以模擬ACE2 和RBD 的激活劑。因此，NLuc 報告基因檢測也有局限性。與螢火蟲熒光素酶不同[24]，目前還沒有NanoLuc 抑制劑的參考資料。但是這種情況可以通過采用類似策略的平行篩選來避免。因此使用ACE2/RBD-NanoBiT和Mpro-NanoBiT 兩種NanoBiT 的檢測方法，一方面是對SARS-CoV-2 多靶點的篩選，另一方面是采用平行篩選來排除假陽性。

下一步將對篩選到的潛在抑制劑進行抗病毒有效性驗證。將用新冠病毒假病毒（義翹）侵染hACE2 表達的HEK 293 細胞驗證小分子的抗病毒有效性[25]。當確定抗病毒活性后，在給藥與不給藥的條件下，利用病毒感染小鼠肺組織，并通過組織切片來評估化合物抑制SARS-CoV-2 病毒侵染小鼠肺上皮細胞的能力，評估藥物對SARSCoV-2 誘導肺損傷的療效，并檢測給藥后小鼠體重、肺損傷和致死率。