生物信息学和免疫信息学方法用于CCHFV全基因组的结构建模和疫苗设计,以开发一种新型的广谱多表位疫苗候选物

《Computational Biology and Chemistry》:Bioinformatics and immunoinformatic approaches for structural modeling and vaccine design of the CCHFV whole genome to develop a novel broad-spectrum multiepitope vaccine candidate

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年03月20日 来源:Computational Biology and Chemistry 3.1

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  针对 Crimean–Congo hemorrhagic fever virus(CCHFV)设计多表位疫苗,通过免疫信息学分析预测 S、M、L 段编码的免疫原性 CD8?/CD4? T 细胞表位和B 细胞表位,结合 HLA 保守性、抗原性及分子模拟验证疫苗与 HLA/TLR 的相互作用,证实其可同时激发体液和细胞免疫。

  
Ava Hashempour|Fatemeh Hassanzadeh|Zahra Hassanzadeh|Mohammad-Matin Karbalaee-Alinazari|Ali Honari Jahromi|Hadi Ghasemi
伊朗设拉子医科大学健康研究所HIV/AIDS研究中心

摘要

克里米亚-刚果出血热病毒(CCHFV)是引起克里米亚-刚果出血热(CCHF)的病原体,是目前人类中分布最广的蜱传病毒疾病,目前仅通过支持性治疗进行管理。因此,人们投入了大量努力来开发有效的疫苗以控制这种病原体。
本文首次全面预测了CCHFV的S、M和L片段中的免疫原性CD8? T细胞、CD4? T细胞和B细胞表位。候选表位经过评估,以确保其在小鼠和人类HLA等位基因中的保守性,以及其抗原性、毒性、序列同源性、细胞拓扑结构和对多种人类白细胞抗原(HLA)等位基因的结合亲和力。最终的多表位疫苗构合物是通过KK、AAY和GPGPG连接子将选定的表位连接起来构建的。
密码子优化和在原核及真核表达载体中的体外克隆证实了该疫苗在大肠杆菌和人类细胞中的高表达潜力。分子对接分析表明,疫苗衍生的表位与HLA分子的结合亲和力与天然加工的肽相当。分子动力学模拟进一步显示,在整个模拟过程中,疫苗构合物与Toll样受体(TLRs)之间具有稳定且强烈的相互作用,表明其在接种后能够引发强烈的免疫反应。预计该疫苗能够有效刺激体液免疫和细胞免疫。尽管在体外实验中显示出良好的免疫原性、安全性和稳定性,但仍需在适当的模型系统中进行实验验证以证实这些结果。

引言

病毒性人畜共患病不断给全球各地的医疗系统带来重大的健康和经济负担。在这些疾病中,克里米亚-刚果出血热病毒(CCHFV)是一种新兴的蜱传病毒,可导致严重的临床表现(如出血热),从而导致高死亡率(Whitehouse, 2004; Erg?nül, 2006)。CCHFV属于Nairovirus家族和Bunyavirales目,具有负链RNA基因组,由三个片段(小片段、中等片段和大片段)组成,这些片段共同提供了病毒致病性和复制所需的全部蛋白质(Zivcec et al., 2016; Bente et al., 2013)。
自1994年发现该病毒以来,CCHF感染的发病率迅速上升,已在欧洲、亚洲、非洲和中东的不同地区形成地方性流行(Hoogstraal, 1979; Papa et al., 2017)。病例死亡率存在显著的地理和人口统计学差异,取决于病毒株、医疗基础设施和患者人口特征等因素(Leblebicioglu et al., 2016; Pigott et al., 2017)。
CCHFV的三部分基因组结构代表了其高度进化的适应性。这种结构最大化了编码效率,并提供了多种抗原多样性,从而使得病毒能够逃避免疫系统的攻击。基因组的每个片段都参与了特定的病毒致病过程,也为寻找潜在的疫苗靶点提供了机会。S片段编码核衣壳蛋白(NP),这是病毒RNA包装和转录调控所必需的高度保守的成分(Ak?nc? et al., 2013)。M片段包含糖蛋白前体(GPC),该前体经过广泛的翻译后修饰,产生多种结构和非结构蛋白,如病毒表面的Gn和Gc糖蛋白、NSm非结构蛋白以及最近发现的GP38蛋白(Sanchez et al., 2002; Bergeron et al., 2007)。这些糖蛋白介导病毒进入细胞和膜融合,是中和抗体反应的主要靶点(Ahmed et al., 2005)。L片段编码RNA依赖性RNA聚合酶(RdRp),这是病毒基因组复制和转录所必需的酶(Ferron et al., 2017; Dias et al., 2009)。
基于完整基因组的疫苗设计改变了传统上使用单一抗原的方法,转向覆盖整个蛋白质组,以识别最佳的免疫原性表位组合(Sette and Rappuoli, 2010; Patronov and Doytchinova, 2013)。这种方法具有多重优势,包括提高免疫覆盖范围、减少病毒通过突变逃逸的可能性,以及对遗传多样性病毒株提供更强的交叉保护(Skwarczynski and Toth, 2016; Zhang, 2018)。
当应用于基于表位的疫苗设计时,完整基因组疫苗相比传统疫苗生产方法具有明显优势。基于表位的疫苗消除了使用减毒或灭活病毒制剂的安全隐患,同时通过合理选择免疫原来增强免疫刺激(Rappuoli et al., 2011)。在多表位策略中,纳入了每种病毒蛋白中最具免疫原性的区域,同时去除了有害或抑制免疫的序列(Backert and Kohlbacher, 2015; Lundegaard et al., 2011)。
当前免疫信息学的发展改变了我们系统筛选整个病毒基因组以寻找潜在疫苗候选物的方式。现代计算算法的应用能够快速识别高亲和力表位,这些表位可通过MHC I类和II类途径呈递(Bui et al., 2007; Vita et al., 2019)。群体覆盖分析确保所选表位能够在具有不同HLA等位基因分布的人群中提供广泛的保护(Sidney et al., 2008)。结构生物信息学方法能够进行表位和受体相互作用的三维(3D)建模,以优化结合亲和力和免疫识别(Khan et al., 2019)。分子动力学(MD)模拟和结构优化技术已成为预测疫苗稳定性、蛋白质折叠和免疫受体相互作用的强大工具(De Groot and Moise, 2007)。
尽管在过去十年中克里米亚-刚果出血热(CCHF)领域取得了显著进展,但目前尚无获准临床使用的疫苗或特定治疗干预措施。传统的疫苗设计方法面临诸多挑战,例如需要高安全级别的实验室设施、合适的动物模型数量有限,以及传统疫苗开发流程所需的大量时间和资源(Bente et al., 2010)。这些挑战迫切需要创新的疫苗开发策略,以加速从实验室研究到临床应用的转化(Garrison et al., 2017; Haddock et al., 2018)。
本研究旨在应对这些公共卫生挑战,提出了一种利用CCHFV整个蛋白质组抗原决定因子开发综合多表位疫苗的新方法。该方法包括对CCHFV基因组的三个片段(S、M和L)编码的每种蛋白质进行综合评估,以识别其最佳表位,从而实现对多种CCHFV株的广泛保护。

部分内容摘录

蛋白质序列检索

CCHV的S、M和L片段多聚蛋白的FASTA格式序列(登录号:ASW22354.1、ASW22365.1和ASW22343.1)从NCBI数据库中检索(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)。

细胞毒性T淋巴细胞(CTL)表位鉴定

作为设计有效疫苗以控制CCHF病毒的关键步骤,我们通过Immune Epitope Database(IEDB)的NetMHCIpan EL 4.1算法分析了检索到的序列的共有序列,从而鉴定出HLA-I结合表位(http://tools.iedb.org/mhci)(

蛋白质序列检索

CCHFV片段的S、M和L基因序列以标准FASTA格式从NCBI中检索(见补充表3)。

CTL表位鉴定和筛选

使用IEDB的NetMHCIpan EL 4.1算法和NetCTL 1.2工具,分别鉴定出三个CCHF基因片段的一组潜在MHC-I结合表位。合并这些数据集并去除重复项后,根据表位的评分对其进行排序,随后根据抗原性进行筛选,

HTL表位鉴定和筛选

使用IEDB Analysis Resource平台上的NetMHCIIpan 4.1算法鉴定出MHC-II结合肽。该过程产生了一份包含15个氨基酸的表位排名列表,随后评估这些表位诱导IFN-γ产生的能力。从这组表位中,选择那些无过敏性和无毒性的表位,且抗原性评分高于0.4的表位进行进一步分析。最终,从L和M片段中各选取三个表位

讨论

CCHF是一种在广泛地理区域内发病率和死亡率都很高的出血热。鉴于迫切需要针对现有的CCHFV株提供持续保护,同时保持对未来病毒变体的有效性,我们制定了一种综合的基因组策略来开发针对CCHFV的多表位疫苗。本研究强调了CCHF多表位疫苗设计领域的新进展。首先,我们的研究系统地分析了

结论

基于计算机的创新治疗平台的设计对于预防和治疗CCHFV感染至关重要。本研究旨在设计和开发针对整个CCHFV基因组的疫苗模型。我们鉴定出了多种表位,并仔细筛选出了最适合的表位,这些表位位于CCHFV基因组的S、M和L片段中最保守的区域。然后使用合适的连接子将这些表位连接起来,开发出高效的疫苗模型

关键点

研究结果显示,HLA类别组合的平均覆盖率为约100%,表明使用这些HLA等位基因配制的疫苗预计在全球范围内具有广泛的疗效。
疫苗与Toll样受体(TLR)的对接分析显示了强烈的结合能,从而产生了大量的细胞因子(IL-12、TNF-α和I型干扰素),这些细胞因子对于HTL反应和CTL激活至关重要。
NMA和分子动力学(MD)模拟显示了疫苗的稳定性能

资金

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

CRediT作者贡献声明

Hadi Ghasemi:方法学、数据分析。
Honari Ali:可视化、软件、资源管理、概念化。
Mohammad-Matin Karbalaee-Alinazari:写作——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件使用、方法学、数据分析、概念化。Zahra Hassanzadeh:软件使用、方法学、研究、数据分析。Fatemeh Hassanzadeh:验证、软件使用、方法学、研究、数据分析。Ava Hashempour:写作

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本稿时,作者使用了ChatGPT来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具后,作者根据需要对内容进行了审查和编辑,并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢伊朗设拉子医科大学提供的学术支持。同时,他们也感谢设拉子医科大学医学伦理与健康哲学系的Omid Asemani博士的宝贵合作。

出版同意

不适用。
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