Science新研究助力艾滋病疫苗研发

　　

生物通报道  由斯克里普斯研究所（(TSRI)和国际艾滋病疫苗行动组织（IAVI）的科学家们领导的一个研究小组，发布了一项艾滋病疫苗设计新技术，有可能在对抗HIV和其他快速变化病毒方面发挥特别的作用。相关研究报告在3月28日的《科学》（Science）杂志上。

这一研究朝着解决现代疫苗设计的一个中心问题：如何刺激免疫系统生成正确的抗体反应，对抗广泛的病毒株迈出了重要的一步。研究人员证实，他们的新技术通过操控一种免疫原，有望可靠地启动一种罕见反应，有效对抗多种类型的HIV。

“我们希望能够很快在基因工程处理、可生成人类抗体的小鼠中测试这一免疫原，并最终能在人体进行测试，”课题组负责人、斯克里普斯研究所IAVI中和抗体中心成员、免疫学副教授William R. Schief说。

寻求一种更好的方法

对于高度可变的病毒，如HIV和流感病毒，疫苗研究人员希望刺激产生的抗体能够对抗大多数或是所有的病毒株，而不只是像目前市场上的季节性流感疫苗一样只能对抗少数的病毒株。疫苗研究人员已经从长期HIV阳性幸存者处鉴别出了几个这样的广泛中和抗体，他们从血液样本中收获B细胞，然后对这些细胞进行筛查，鉴别了可生成中和多种HIV病毒株抗体的B细胞。这样的广泛中和抗体通常是通过阻断病毒的关键功能位点来发挥作用。不同的病毒株之间尽管别处高度突变，但这些功能位点却通常是保守的。

尽管有这些强有力的广泛中和抗体在手，科学家们还需要找到一种方法通过疫苗在人体刺激生成它们。“例如，为了刺激生成一种称作VRC01类，可以中和90%已知HIV病毒株的广泛中和抗体，你可以尝试利用HIV包膜蛋白作为你的免疫原。但你会遭遇到这样的问题：包膜蛋白没有任何可检测到的亲和力，无法结合B细胞，从而无法达到启动一种广泛中和抗体反应的必要条件。

由弱变强

Schief实验室的研究生Joseph Jardine，对产生VRC01的B细胞进行进行了评估，以推导出VRC01生成B细胞的起源细胞——种系（germline）B细胞的特征。种系B细胞是现代病毒疫苗的主要靶标，它们的抗体可导致长期的抗体反应。

对疫苗接种产生反应，种系B细胞理论上可以成熟形成所需的VRC01生成B细胞。但天然的HIV蛋白无法结合或刺激这些种系B细胞，因此它们无法启动这一过程。研究小组因此开始着手设计一种能够成功实现这一过程的人工免疫原。

Jardine利用一种称作Rosetta的蛋白质建模软件套件，改善了VRC01种系B细胞抗体与HIV包膜蛋白结合。“我们要求Rosetta寻找HIV包膜蛋白侧面的突变，帮助它紧密结合我们的种系抗体，”他说。

Rosetta发现有几十种突变，可能有助于提高与种系抗体的结合。Jardine随后生成了包含所有可能的有益突变组合的文库，获得了数以百万计的突变体，然后利用酵母表面展示技术（yeast surface display
）和FACS对它们进行了筛查。结合计算机预测和定向演化成功生成了几个对种系VRC01类抗体具有高亲和力的突变包膜蛋白。

Jardine随后将焦点放在生成一种最小的免疫原（比HIV包膜小得多）上，利用Schief实验室Po-Ssu Huang从前开发的“工程外部结构域”（engineered outer domain，eOD）继续开发。通过对一组种系抗体进行反复数轮设计和选择，生成了最后的优化的eOD-GT6免疫原。

密切观察

为了更好地检测eOD-GT6及其与种系抗体的相互作用，研究小组转而求助于斯克里普斯研究所IAVI中和抗体中心成员、综合结构和计算机生物学系主任Ian A. Wilson实验室。

Wilson实验室资深研究助理Jean-Philippe Julien，利用X射线晶体学确定了设计的这种免疫原的3D原子结构，还确定了一种种系VRC01抗体的晶体结构，以及免疫原与抗体结合在一起的结构。

“我们希望了解eOD-GT6是否看起来像我们预期的样子，并且是否以我们预期的方式与抗体结合。两种情况的答案都是‘yes’。我们还鉴别了赋予它与种系VRC01抗体反应的关键突变，”Julien说。

模拟一种病毒

免疫研究人员知道，当这样的免疫原并非以单拷贝，而是以密集聚集的多拷贝呈现时，通常可以更好地刺激抗体反应。“我们希望它看起来像一种病毒，”Schief实验室访问研究生Sergey Menis说。

因此，Menis设计了一种微小模拟病毒颗粒，其由60个拷贝的细菌酶构成，外面覆盖60个拷贝的eOD-GT6。这一颗粒极好地激活了培养皿中的VRC01种系B细胞，甚至成熟B细胞，而单拷贝eOD-GT6则不能。

Menis说：“本质上，它是一种自组装纳米颗粒，以一种适当定向的方式呈现为一种免疫原。我们希望这种方法不仅能用于HIV疫苗，还可用于许多其他的疫苗。”

Schief说，eOD-GT6免疫原项目的下一步是，在工程操作能生成人类种系抗体的实验室动物中测试它的能力。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Rational HIV immunogen design to target specific germline B cell receptors

Vaccine development to induce broadly neutralizing antibodies (bNAbs) against HIV-1 is a global health priority. Potent VRC01-class bNAbs against the CD4 binding site of HIV gp120 have been isolated from HIV-1–infected individuals; however, such bNAbs have not been induced by vaccination. Wild-type gp120 proteins lack detectable affinity for predicted germline precursors of VRC01-class bNAbs, making them poor immunogens to prime a VRC01-class response. We employed computation-guided, in vitro screening to engineer a germline-targeting gp120 outer domain immunogen that binds to multiple VRC01-class bNAbs and germline precursors and elucidated germline-binding crystallographically. When multimerized on nanoparticles, this immunogen (eOD-GT6) activates germline and mature VRC01-class B cells. Thus, eOD-GT6 nanoparticles have promise as a vaccine prime. In principle, germline-targeting strategies could be applied to other epitopes and pathogens.