蛋白結(jié)構(gòu)：解鎖病毒疫苗研發(fā)的密碼

蛋白結(jié)構(gòu)：解鎖病毒疫苗研發(fā)的密碼前言在人類與病毒的漫長戰(zhàn)斗中，疫苗是我們最有力的武器之一。從曾經(jīng)肆虐全球的天花病毒到現(xiàn)在依然困擾人類的流感病毒，疫苗為我們的健康保駕護(hù)航。病毒奉行“極簡主義”，由蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部的遺傳物質(zhì)（DNA或RNA）構(gòu)成。蛋白質(zhì)保護(hù)遺傳物質(zhì)不被宿主免疫系統(tǒng)攻擊，幫助病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞，完成入侵、復(fù)制等過程。沒有遺傳物質(zhì)的病毒蛋白質(zhì)，就是個“花架子”、“沒有靈魂”，不具備傳染性，但是能夠讓免疫系統(tǒng)識別并記住病毒的樣子，激發(fā)機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)。基于此，科研人員開發(fā)了病毒疫苗，提前在機(jī)體完成一場“免役演習(xí)”，訓(xùn)練免疫系統(tǒng)提前識別并防御病毒。搞清楚病毒的蛋白結(jié)構(gòu)，是疫苗研發(fā)的關(guān)鍵“密碼”?；诘鞍捉Y(jié)構(gòu)的疫苗設(shè)計理念傳統(tǒng)疫苗設(shè)計大多依賴于經(jīng)驗，而隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)、免疫學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，基于蛋白抗原結(jié)構(gòu)的疫苗設(shè)計理念逐漸興起。新的方法能夠提供病毒表面蛋白的原子水平結(jié)構(gòu)信息，快速鑒定和篩選單克隆抗體，以設(shè)計出更有效、更穩(wěn)定且具有針對性的疫苗。高分辨率的結(jié)構(gòu)能夠揭示被中和抗體識別的靜電表面及相關(guān)結(jié)合位點。通過分析病毒蛋白結(jié)構(gòu)，可以確定哪些亞結(jié)構(gòu)必須保持完整，哪些可以進(jìn)行優(yōu)化改造。比如在流感疫苗設(shè)計中，主要針對病毒的三種表面蛋白：血凝素（HA）、神經(jīng)氨酸酶（NA）和基質(zhì)蛋白2（M2），利用結(jié)構(gòu)疫苗學(xué)進(jìn)行抗原設(shè)計，以得到穩(wěn)定、高效且具有跨亞型保護(hù)作用的重組抗原。流感病毒結(jié)構(gòu)及疫苗靶點示意圖（源自文獻(xiàn)：doi:10.3390/v14081684）從蛋白結(jié)構(gòu)到疫苗上市：成功案例呼吸道合胞病毒（RSV）疫苗見證了結(jié)構(gòu)學(xué)設(shè)計理念在疫苗上的成功。目前獲得許可的RSV疫苗免疫原為F蛋白。早在20世紀(jì)60年代科研人員就開始研究RSV疫苗，但由于ERD影響造成其研發(fā)一直停滯不前。結(jié)構(gòu)性或構(gòu)象疫苗的提出及RSVF蛋白穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的成功，推動了近十年RSV疫苗的突破性進(jìn)展。F蛋白以兩種主要構(gòu)象狀態(tài)存在：融合前構(gòu)象（pre-F）和融合后構(gòu)象（post-F）。2013年，McLellan使用X射線晶體學(xué)確定F蛋白的精確形狀。發(fā)現(xiàn)RSV在進(jìn)入細(xì)胞之前，F(xiàn)蛋白為難以捉摸的“棒棒糖”，進(jìn)入細(xì)胞后，看起來像一個“高爾夫球臺”。研究證實，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的pre-F是產(chǎn)生高效主動免疫的關(guān)鍵。Crank等人于2019年在Science發(fā)表文章，在F蛋白的C末端引入S155C和S290C兩個點突變，使其之間形成二硫鍵，并且F蛋白構(gòu)象上的空腔得到填充，增加了蛋白的穩(wěn)定性?；诖?，設(shè)計改造后的F蛋白通過CHO細(xì)胞表達(dá)穩(wěn)定的融合前F蛋白三聚體亞單位疫苗DS-Cav1。穩(wěn)定的融合前RSV-F亞單位候選疫苗（源自文獻(xiàn)：doi:10.1126/science.aav9033）通用流感疫苗：蛋白結(jié)構(gòu)研究正當(dāng)時通用流感疫苗的靶點包括HA、NA、基質(zhì)蛋白M2胞外區(qū)等。血凝素蛋白（Hemagglutinin,HA）是一種存在于流感病毒表面的糖蛋白，通過與宿主細(xì)胞膜上的唾液酸受體相結(jié)合，協(xié)助病毒包膜與宿主細(xì)胞膜相互融合。因此HA是流感疫苗開發(fā)的主要靶點之一。HA的頂部容易發(fā)生抗原漂移，而不同亞型見HA的莖部高度保守，因此刪去頂部區(qū)域的HA能夠產(chǎn)生廣泛的免疫反應(yīng)，常被用于通用流感疫苗開發(fā)。神經(jīng)氨酸酶（Neuraminidase,NA）是流感病毒的另一種表面糖蛋白，它對促進(jìn)病毒從宿主細(xì)胞中釋放起重要作用。NA蛋白的相對保守性與廣泛的交叉反應(yīng)性使其作為抗病毒藥物開發(fā)的重要靶點，同時也是通用流感疫苗開發(fā)的潛在靶點?；|(zhì)蛋白M2是一種跨膜蛋白，在病毒侵入細(xì)胞時，其可以作為離子通道來維持胞內(nèi)的酸性環(huán)境。M2的胞外區(qū)為M2e，僅有23個氨基酸在各種流感病毒變異株中被發(fā)現(xiàn)高度保守，因此M2e由此也成為開發(fā)通用流感疫苗的熱門靶點。據(jù)明尼蘇達(dá)大學(xué)傳染病研究和政策中心CIDRAP統(tǒng)計，截至2025年1月7日，全球已有165款通用流感疫苗處于臨床前研究階段，42款疫苗進(jìn)入臨床研究階段，其中16款、18款和8款疫苗分別進(jìn)入Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期臨床試驗。但目前全球無通用流感疫苗產(chǎn)品上市。但隨著技術(shù)的不斷成熟，科學(xué)家們對疫苗研發(fā)的不懈努力，我們有理由相信，在未來的某天開發(fā)出通用流感疫苗，從而更好助力預(yù)防流感和應(yīng)對流感大流行！?義翹神州疫苗開發(fā)解決方案義翹神州擁有先進(jìn)的技術(shù)平臺和豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗，為滅活疫苗、重組蛋白疫苗、DNA疫苗、mRNA疫苗和病毒載體疫苗等多種疫苗研發(fā)提供解決方案。我們的產(chǎn)品和服務(wù)涵蓋了從早期開發(fā)、臨床前研究、臨床試驗到生產(chǎn)和質(zhì)量控制，助力客戶高效推進(jìn)研發(fā)項目。同時，義翹神州緊密關(guān)注行業(yè)動態(tài)，不斷創(chuàng)新和豐富自身的產(chǎn)品線，以期更好地服務(wù)客戶，全力推動疫苗研發(fā)進(jìn)程。免責(zé)聲明：義翹神州內(nèi)容團(tuán)隊僅是分享和解讀公開的研究論文及其發(fā)現(xiàn)，專注于介紹全球生物醫(yī)藥研究新進(jìn)展。本文僅作信息交流用，文中觀點不代表義翹神州立場。隨著對疾病機(jī)制研究的深入，新的實驗結(jié)果或結(jié)論可能會修改或推翻文中的描述，還請大家理解。本文不屬于治療方案推薦，如需獲得治療方案指導(dǎo)，請前往正規(guī)醫(yī)院就診。本司產(chǎn)品目前僅可用于科學(xué)研究，不可用于臨床治療。【參考文獻(xiàn)】

Wen-ChienWang,etal.ProgresstowardstheDevelopmentofaUniversalInfluenzaVaccine.Viruses,2022./10.3390/v14081684

Cranketal.

Aproofofconceptforstructure-basedvaccinedesign