Quantitative analysis of ACE2 binding to coronavirus spike proteins: SARS-CoV-2 vs. SARS-CoV and RaTG13

文献情報

出版日 2021-05-28
DOI 10.1039/D1CP01075A
インパクトファクター 3.676
著者

Zhendong Li


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要旨

The global outbreak of the COVID-19 pandemic is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Bat virus RaTG13 and SARS-CoV are also members of the coronavirus family and SARS-CoV caused a world-wide pandemic in 2003. SARS-CoV-2, SARS-CoV and RaTG13 bind to angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) through their receptor-binding domain (RBD) of the spike protein. SARS-CoV-2 binds ACE2 with a higher binding affinity than SARS-CoV and RaTG13. Here we performed molecular dynamics simulation of these binding complexes and calculated their binding free energies using a computational alanine scanning method. Our MD simulation and hotspot residue analysis showed that the lower binding affinity of SARS-CoV to ACE2 vs. SARS-CoV-2 to ACE2 can be explained by different hotspot interactions in these two systems. We also found that the lower binding affinity of RaTG13 to ACE2 is mainly due to a mutated residue (D501) which resulted in a less favorable complex formation for binding. We also calculated an important mutation of N501Y in SARS-CoV-2 using both alanine scanning calculation and a thermodynamic integration (TI) method. Both calculations confirmed a significant increase of the binding affinity of the N501Y mutant to ACE2 and explained its molecular mechanism. The present work provides an important theoretical basis for understanding the molecular mechanism in coronavirus spike protein binding to human ACE2.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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