反向疫苗学2.0升级版：基于抗原结构的疫苗设计及案例
大多数获得许可的疫苗都是在对免疫学有基本了解之前就开发出来的，并以抗体反应的诱导为指导，重点是中和活性。这些疫苗方法很大程度上是建立在整个病毒的基础上的，要么是活的，要么是灭活的。最近，类病毒粒子(VLPs)已经成为乙型肝炎病毒和人类乳头瘤病毒的成功疫苗平台，使用全病毒和VIPs降低了对抗体结合的详细结构理解的需要。在病毒复制过程中(减毒活病毒)或固定病毒粒子(灭活)中，病毒蛋白的固有构象可能被B细胞识别，从而产生能够中和或迅速清除病毒的功能性抗体反应。
最近，一种基于糖蛋白E(GE)的亚单位蛋白疫苗已被批准用于治疗带状疱疹(HVZ)，并且对再次激活(即带状疱疹)具有很高的疗效。目前还没有关于GE的结构数据，虽然它确实能诱导出稳健的抗体反应，但其功效被认为主要来自于CD4 T细胞反应。因此，在没有结构数据和对抗体中和机制的详细了解的情况下，开发抗病毒疫苗是可能的，但对于许多病毒靶点，传统疫苗技术的使用将面临挑战，在某些情况下已经失败。此外，对于新出现的病毒，传统的方法可能被排除在外，因为过程开发时间太长，无法立即应对疫情。
新兴蛋白质结构研究技术，比如用x射线结晶学、冷电镜、冷冻电子断层扫描或抗体结合试验对疫苗抗原进行结构表征，可以消除或大大减少因抗原构象不当而导致的疫苗失败。因此基于结构为基础的疫苗设计可能成为未来疫苗快速研发的基础。
目前对基于结构或结构导向的抗原设计的关注是一场更大的技术革命的一部分，包括人类单克隆抗体的分离、下一代测序、纳米粒子生物学和基因工程动物模型。Rino Rappuoli在2000年首次使用这个术语来描述一个过程，通过这个过程，病原体基因组的完整测序可以用来识别和选择表面表达或分泌的蛋白质，这些蛋白质可以作为新的候选疫苗抗原进行实验测试。
2002年，在利用噬菌体展示发现抗体方面的进展的推动下，DennisBurton使用“反向疫苗学”描述了可用于选择或设计激发目标抗体的抗原的具有理想性质的抗体的识别方法。结构在疫苗学的作用已被预期数年，但直到现在才在RSV和其他病毒疾病方面取得成功才得以实现。使用有效抗体和结构指导疫苗抗原设计的概念已被重新包装为反向疫苗学2.0。
基于结构的疫苗抗原设计通过快速发现单克隆抗体、高通量x射线晶体学和高分辨率冷冻技术，有望成为获得具有原子级精确性和表位特异性的免疫原的一种新方法。
基于抗原结构疫苗设计理念
基于结构的疫苗设计寻求在免疫原上创造表面，以激发针对目标病原体的保护性抗体反应。首要技术关键点是寻找毒力和感染所需抗原上，易被抗体识别的表面的原子结构细节。因此，基于结构的设计通常首先寻找病原体强中和作用的特异性抗体。中和活性意味着抗体将降低病毒感染细胞的频率。要中和，抗体必须与表面暴露的病毒蛋白上的易受攻击部位结合.中和的强度或效力由多种因素决定，但往往与蛋白质结合的特异性或位点、结合强度(亲和力和亲和力)、结合位点在病毒上的可及性以及在病毒上现有位点的占有程度有关。
保护的基础可以是阻断病毒的附着、进入后脱落或从受感染的细胞释放，以及减少细胞间的传播、病毒相互聚集或向粘液聚集，从而有效地减少接种量、转移到死胡同入口通道或病毒吞噬功能。不管机制如何，抗体与病毒蛋白的结合是必不可少的。
抗体与抗原结合的几何构型可能是疫苗设计中的另一个重要因素。使用多个接近的角度或旋转度，蛋白质上的某些表位或抗原位点可以由多个谱系的抗体结合。
然而，有些关键目标需要抗体以特定角度或旋转接近。病毒也倾向于通过频繁变异周围的表面(例如流感受体结合域的边缘)和添加或去除糖聚糖来保护易受伤害的部位。因此，考虑到免疫逃逸机制，需要中和抗体有长的CDR环到达易受伤害的地点或避免短的CDR环，以避免冲突并更加近距离接近抗原暴露区域。基于结构的设计必须考虑到这些免疫规避机制。
如上图中和抗体MEDI8852和流感病毒不同血凝素（HA1,2H5,H7等 )结合
许多常见的包膜病毒病原体利用I类融合蛋白介导进入宿主细胞。由于这些蛋白是感染所必需的，它们是疫苗诱导免疫反应的关键靶点。在内蛋白溶解后，I类融合蛋白经历了大规模的重排，通过将病毒和细胞膜拉在一起，从而为病毒进入创造了一个融合孔。亚稳预融合构象是Ⅰ类融合蛋白的功能状态，稳定的融合后构象不再具有功能。因此，最优的疫苗抗原将保留存在于蛋白质功能预融合形式上的表面，并诱导能够抑制融合的抗体。
案例1：呼吸道合胞病毒（RSV）疫苗
呼吸道合胞病毒(Respirative Syncytial Virus，RSV)是肺炎病毒科的一种肺病毒。它于1955年被发现为黑猩猩，是五岁以下儿童住院的主要原因，并在老年人中造成与季节性流感相似的严重死亡。中和抗体的主要目标蛋白：F糖蛋白。
RSV五种主要的免疫逃避机制：
极化气道上皮根尖表面的感染和病毒释放相对独立于全身免疫反应
幼儿初期感染发生在免疫不成熟时；
非结构蛋白1和2，可以抑制I型干扰素的产生和效应功能；
分泌的G糖蛋白具有免疫调节作用，可改变树突状细胞的信号通路；
F糖蛋白三聚体的功能性、非触发性、中和构象是不稳定的，并自发地重新排列成Post-F构象，使仅存在于F前构象上的中和敏感表位的暴露量降至最低。
蛋白质工程的努力是实现前F三聚体稳定，保存与人血清抗体中大部分中和活性相关的关键表位。RSV Pre-F疫苗比基于post-F蛋白的疫苗诱导更高的中和活性。正在进行临床试验显示RSV F蛋白在Pre-F构象中的稳定提高了免疫原性，包括在嵌合病毒，减毒病毒，VLPs和基于基因的载体。
pre-F构象中稳定F蛋白的概念正被成功地应用于相近的病毒，包括副流感病毒1-4和尼帕病毒，基于结构的抗原设计可以为一个家族的病原体提供一体的解决方案。例如,最近人偏肺病毒(HMPV)、肺病毒与RSV密切相关，pre-F稳定的变体具有与RSV相似的免疫原性。
案例2：冠状病毒疫苗
冠状病毒(coronavirus，CoVS)是一种包膜的、非分段的、正链RNA病毒，属于Nidovirales目.S糖蛋白是已知最大的Ⅰ类病毒融合糖蛋白，它同时含有受体结合亚基(S1)和膜化亚基(S2)。S糖蛋白是中和抗体的主要靶点，但它是高度糖基化和抗原可变的。
结构研究、疫苗开发和抗体分离工作都集中在S蛋白的片段上，这些片段具有生物化学上的可控性，重点是受体结合结构域。自2015年以来，冷冻电镜进展导致了在预融合构象中确定了大量的三聚体S糖蛋白外显子结构域。
基于野生型CoVS序列的结构物的表达通常导致低产率，蛋白质的数量不一致，有证据表明S2亚基被解离并转化为融合后构象。然而，通过利用结构信息，在S2亚基的铰链区域发现了几个残基，其中脯氨酸残基的取代大大提高了产率和构象的同质性。此外，与野生型S糖蛋白相比，pre-fusionS糖蛋白能提高小鼠的免疫应答。使用预融合胞外域作为免疫原，引起多克隆反应，针对许多位于S糖蛋白大表面的中和敏感表位，而非受体结合区-仅几个残基的抗原漂移可避免的专属免疫应答。
案例3：HIV疫苗
HIV-1是包膜、单链、正感RNA逆转录病毒。它的病毒体只显示了少量的包膜融合蛋白，它（如CoV）S蛋白)是重糖基化的。融合抑制亚基gp120与宿主受体结合,包括CD4和CCR5或CXCR4，导致结构变化，使gp41亚单位重新融合并融合病毒和宿主细胞膜。
作为中和抗体的唯一靶标，HIV-1包装蛋白是密集疫苗开发工作的重点。胞外域的稳定化预融合构象是gp120和gp41之间加二硫键中，在gp41中，可以Envelope取代，在残余物664之后截断以去除膜-近端的疏水性部分外部区域，以及从应变BG505选择特定的胞膜序列。这些BG505SOSiP.664蛋白导致三聚体预融合包膜的第一近原子结构,所得到的结构为许多附加的迭代提供了基础。
然而，与RSVF不同，其主要中和逃逸机制是构象规避，HIV-1胞膜也具有遗传可塑性和抗原性可变性、广泛的糖基化和仅部分地部分地存在的免疫显性问题解决了。
案例4：支架或嵌合蛋白疫苗
肽免疫原的使用试图从病毒蛋白中筛选抗原表位，并选择性地将它们呈递给免疫系统，以引起集中的抗体反应。这种方法仅限于完全或大部分包含在一段线性氨基酸表位。
当作为免疫原时，所分离的肽通常是灵活的，并且采用许多构象，其中只有一种或几种与抗原中存在的表位构象相似。因此，基于肽的免疫产生的抗体反应往往会引起肽导向抗体的高滴度，而识别天然抗原的抗体滴度较低。
为了改进这些第一代免疫原，一种称为从环状折叠（Fold From Loops）的计算方法，用于设计包含所有抗原的新的表位支架，与晶体中观察到的几乎相同的构象呈现。有趣的是，它们能够在猕猴中引发大量中和活性抗体。
案例5：纳米粒子展示和自组装类病毒粒子（VLPS）
免疫系统被设计用来识别外来对宿主的威胁。病原体相关分子模式(PAMPs)触发了启动宿主防御的先天机制。蛋白质抗原的有序阵列是一种对激活B细胞反应特别有效的PAMP。先前的半抗原研究表明，抗原间距为50-100A°可以有效激活B细胞产生抗体。大多数病毒的直径<200 nm，以颗粒为基础的疫苗，无论是未包装的病毒衣壳还是包装的VLPs，在大小为10-200 nm的情况下，都具有很高的免疫原性。
这最好的例子是获得批准的人类乳头瘤病毒（HPV）疫苗，并已被其他基于VLP的甲型病毒和多瘤病毒实验疫苗所证明。
在某些情况下，中和抗体最有效的靶点不是病毒表面蛋白上的几个选择表位，而是决定粒子完整性本身的四级结构表位。例如，登革热病毒有关键是粒子上完整的E二聚体。
寨卡病毒的快速疫苗开发依赖于对黄病毒E二聚体，颗粒结构，及抗原性的了解，这是首次发现的蜱传脑炎病毒和登革病毒。同样，口蹄疫病毒(一种无包膜的皮卡那病毒)的牲畜疫苗，随着时间的推移，二十面体衣壳逐渐衰变成其五聚亚基（如下图），失去免疫原性。结构信息和分子动力学模拟能够识别五聚体界面的突变，从而提高热稳定性，并在长期储存稳定的病毒后激发出更高的中和抗体滴度。
其他天然自组装分子，如铁蛋白和lumazine synthase，已经被用来显示疫苗抗原和模拟VLP上的有序对称抗原阵列。由于冷电磁技术的进步，这些粒子可以通过原子级或近原子级的分辨率进行结构上的定义和验证，包括与抗体的结合。现在可以创造结构工程的新的自组装分子，这一成就增加了定制的设计纳米粒子疫苗的可能性，这说明抗原的设计和它们的显示以协调和系统的方式。
结语
病毒表面蛋白结构信息彻底改变疫苗抗原的设计。X射线晶体学、电子显微镜、计算生物学和人源化单克隆抗体的分离技术的发展都促进了这一方法的发展，疫苗学已经进入了一个新的时代。
喵评：
做蛋白结构的科学家真的同样了不起，疫苗，抗体药物的基础。
不知不觉，小号开了4个月，这是第90篇文章了。Mark一下。
主要参考文献
Barney S. Graham，Immunological Reviews 2013，Vol. 255: 230–242
Kallewaard et al., 2016, Cell 166, 596–608
Annu. Rev. Med. 2019. 70:91–104 Barney S. Graham, Annu. Rev. Med. 2019. 70
Dormitzer PR,. 2012. . Nat. Rev. Microbiol.10:807–13
版
权
声
明
本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。返回搜狐，查看更多