Molecular basis of inhibition and resistance of the influenza M2 ion channel by aminoadamantane drugs and discovery of nomel resistance - breaking inhibitors targeting the mutant M2 proton channel

Abstract

Amantadine (Amt (1)) and rimantadine (Rim (2)) are blockers of proton transport by influenza A virus Μ2 ion channel protein, and approved as prophylactics and therapeutics against influenza A wild type (WT) viruses. However, since 2005, the amantadine-insensitive Ser-to-Asn mutation at position 31 (S31N) in M2 protein has become globally prevalent, abrogating the clinical usefulness of amantadine3,4and possibly other previously reported M2 inhibitors. Thus, new agents are needed to combat drug-resistant strains of influenza.The primary binding site of amantadine and rimantadine is the transmembrane domain lumen (TM, amino acids 22-46) in the four-helix bundle of tetrameric M2 WT, that forms the proton transport path. According to high resolution structures from X-ray and solid state NMR (ssNMR) experiments published between 2008-2011 by Tim Cross, William DeGrado, and Mei Hong in the highest impact factor Journals i.e., Nature, JACS etc, the M2TM protein channel is blocked by amantadine and rimantadine via a pore-binding mechanism. The adamantyl cage in these molecules is tightly contacted on all sides by V27 and A30 side chains, producing a steric occlusion of proton transport and thereby preventing the continuation of the viral life cycle. The ssNMR results also demonstrated that the ammonium group of these drugs is pointing towards the four H37 residues at the C-end. 9 This orientation can be stabilized only through hydrogen bonds between the ligand and (a) with water molecules in the channel lumen between the imidazoles of H37 and the ligand and (b) possibly with A30 carbonyls in the vicinity, according to experimental and molecular dynamics (MD) simulations data. Provided that M2TM is a minimal model for M2 binding, these experimental high resolution structures can be used for the prediction of new ligands binding more effectively to the M2TM pore for example through MD simulations19 or more precisely by binding free energy calculations.

Η αμανταδίνη (Amt ) και η ριμανταδίνη (Rim) είναι αναστολείς της μεταφοράς πρωτονίων διαμέσου του ιοντικού διαύλου της πρωτεΐνης Μ2 του ιού influenza A, και αποτέλεσαν εγκεκριμένα μέσα πρόληψης και θεραπείας έναντι των ιών της γρίπης Α άγριου τύπου (WT). Ωστόσο, από το 2005, η μετάλλαξη του αμινοξέος σερίνη σε ασπαραγίνη στη θέση 31 (S31N) στην Μ2 πρωτεΐνη, δημιούργησε ένα στέλεχος ανθεκτικό στην Amt το οποίο έχει κυριαρχήσει παγκοσμίως, καταργώντας την κλινική χρησιμότητα της αμανταδίνης και πιθανότατα και άλλων προαναφερθέντων, στη διεθνή βιβλιογραφία, αναστολέων της Μ2. Επομένως, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη νέων μορίων για την καταπολέμηση των ανθεκτικών στελεχών της γρίπης. H κύρια θέση πρόσδεσης της Amt (1) και της Rim (2) είναι η διαμεμβρανική περιοχή (transmembrane domain, TM) των αμινοξέων 22-46 του συμπλέγματος των τεσσάρων α-ελίκων της Μ2 που σχηματίζει τον δίαυλο μεταφοράς πρωτονίων. Σύμφωνα με δομές υψηλής διαχωριστικότητας που προέκυψαν από πειράματα κρυσταλλογραφίας ακτίνων-Χ και φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού στερεάς κατάστασης (solid state NMR, ssNMR) και δημοσιεύτηκαν μεταξύ 2008-2011 από τους ερευνητές και καθηγητές Tim Cross, William DeGrado και Mei Hong στα πιο έγκριτα περιοδικά όπως Nature, JACS κλπ, η Amt (1) και η Rim (2) δρουν φράσσοντας τον πόρο του διαύλου M2TM. Ο κλωβός του αδαμαντανίου των ενώσεων αυτών περικλείεται από τις τέσσερεις πλευρικές αλυσίδες των V27 και της A30 του τετραμερούς M2TM προκαλώντας τον στερεοχημικό αποκλεισμό της μεταφοράς πρωτονίων και αποτρέποντας την συνέχεια του κύκλου ζωής του ιού. Τα αποτελέσματα ssNMR έδειξαν επίσης ότι η ομάδα αμμωνίου αυτών των φαρμάκων έχει προσανατολισμό προς τα τέσσερα αμινοξέα της His37 δηλαδή προς το C-τελικό άκρο.9 Αυτός ο προσανατολισμός σταθεροποιείται μέσω ενός δικτύου δεσμών υδρογόνου μεταξύ προσδέτη και (α) μορίων νερού εντός του πόρου του ιοντικού διαύλου, που βρίσκονται μεταξύ ιμιδαζολίου της H37 και προσδέτη, και, ενδεχομένως, (β) με το καρβονύλιο της A30 σύμφωνα με πειραματικά αποτελέσματα και προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MD).Δεδομένου ότι η M2TM αποτελεί το απλούστερο μοντέλο πρόσδεσης της Amt (1) και Rim (2) για την M2, οι προηγούμενες πειραματικές δομές υψηλής ανάλυσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το σχεδιασμό και ανάπτυξη νέων αναστολέων που να συνδέονται αποτελεσματικότερα με τον πόρο Μ2ΤΜ, μέσω προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής (MD) 19ή ακριβέστερα με υπολογισμούς ελεύθερης ενέργειας.