基于免疫信息学设计抗多变异株SARS-CoV-2的高覆盖率mRNA多表位疫苗

为解决SARS-CoV-2变异株逃逸现有疫苗保护的问题，研究人员通过免疫信息学(immunoinformatics)和反向疫苗学(reverse vaccinology)技术，设计了一种靶向刺突蛋白(spike)和核衣壳蛋白(nucleocapsid)的多表位mRNA疫苗。该疫苗覆盖99.99%全球人群，能诱导强烈的B细胞(BCR)和T细胞(HTL/CTL)免疫应答，并与TLR4/MHC分子稳定结合，为开发广谱新冠疫苗提供了新策略。

　　

随着COVID-19大流行进入常态化阶段，SARS-CoV-2持续变异导致现有疫苗保护效力下降的问题日益凸显。尽管全球已部署多种基于刺突蛋白(spike)的疫苗，但奥密克戎(Omicron)等变异株的免疫逃逸能力显著削弱了疫苗效果。更棘手的是，病毒通过抗原漂移不断产生新变异株，使得开发具有广谱保护性的"防变异-proof"疫苗成为当务之急。在这一背景下，印度尼西亚国家研究与创新局的研究团队创新性地将免疫信息学(immunoinformatics)与mRNA技术相结合，旨在设计一种能覆盖所有关切变异株(VOC)的多表位疫苗。

研究团队首先从GISAID数据库获取20,567条涵盖Alpha、Beta、Gamma、Delta和Omicron变异株的全基因组序列，通过生物信息学分析筛选出高度保守的线性B细胞表位(LBL)、辅助性T细胞表位(HTL)和细胞毒性T细胞表位(CTL)。这些表位经过抗原性、毒性、过敏性等12项严格筛选后，最终保留4个LBL、5个HTL和3个CTL表位。通过分子对接验证这些表位与MHC分子及免疫受体(TLR4/BCR)的强相互作用后，研究人员创新性地采用组织纤溶酶原激活剂(tPA)信号肽、泛HLA结合表位(PADRE)和MHC靶向结构域(MITD)等元件，构建出257个氨基酸的多表位疫苗。

关键技术包括：(1)使用MAFFT进行全基因组多序列比对；(2)通过ABCpred和BepiPred预测B细胞表位；(3)采用NetCTL和IEDB预测T细胞表位；(4)利用ClusPro进行分子对接；(5)基于AMBER20的100ns分子动力学模拟；(6)C-ImmSim免疫应答模拟；(7)GenSmart密码子优化。

3.1. 序列鉴定
从20,576条病毒序列中提取高度保守的spike和nucleocapsid蛋白序列，其中Omicron占比99.7%。通过JalView生成一致性序列，确保表位在变异株间的保守性。

3.2. 表位预测
筛选出4个LBL表位(如spike^240-255HRSYLTPGDSSSGWTA)、3个CTL表位(如spike^623-631QLTPTWRVY)和5个HTL表位(如spike^111-125SLLIVNNATNVVIKV)，所有表位在VOC中保守性达100%。

3.3. 群体覆盖率分析
表位组合对印尼和全球人群覆盖率分别达99.39%和99.99%，其中CTL表位通过HLA-A*11:01等常见等位基因呈递，HTL表位则覆盖HLA-DRB1 * 12:02等高频率等位基因。

3.5. 疫苗构建
采用EAAAK刚性连接子串联表位，GPGPG柔性连接子增强免疫原性。疫苗分子量26.27kDa，等电点10.36，不稳定指数37.41(＜40)，显示良好稳定性。

3.7. 3D结构验证
ERRAT评分76.923，Ramachandran图显示91.9%残基位于优势区，ProSA Z-score -6.01，证实结构合理性。

3.8. 受体对接
疫苗-TLR4复合物结合能-19.3kcal/mol，强于天然配体MD-2(-12.1kcal/mol)；疫苗-BCR复合物结合能-16.3kcal/mol，提示可有效激活体液免疫。

3.10. 免疫模拟
三次免疫后IgG1+IgG2水平显著升高，记忆B细胞数量增加11倍，IFN-γ和IL-2分泌量达峰值，显示Th1型免疫优势。

这项发表于《Journal of Genetic Engineering and Biotechnology》的研究，首次将spike和nucleocapsid蛋白表位整合入mRNA疫苗设计。其创新性体现在：(1)表位选择覆盖所有VOC的100%保守区域；(2)采用PADRE序列增强MHC II呈递效率；(3)通过MITD结构域促进树突状细胞交叉呈递。分子动力学模拟证实疫苗-TLR4复合物在100ns内保持稳定，MMPBSA计算结合自由能达-136.67kcal/mol。该设计不仅为COVID-19提供了潜在广谱疫苗候选，其"表位-载体-佐剂"三位一体策略更为应对未来新发传染病提供了快速疫苗开发范式。