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(zhǎng)戰(zhàn)斗中，疫苗是我們有力的武-器之一。從曾經(jīng)肆虐的天花病毒到現(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(jiǎn)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(gè)“花架子”、“沒有靈魂”，不具備傳染性，但是能夠讓免疫系統(tǒng)識(shí)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(chǎng)“免役演習(xí)”，訓(xùn)練免疫系統(tǒng)提前識(shí)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”。

基于蛋白結(jié)構(gòu)的疫苗設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)疫苗設(shè)計(jì)大多依賴于經(jīng)驗(yàn)，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(jì)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(jì)出更有效、更穩(wěn)定且具有針對(duì)性的疫苗。

高分辨率的結(jié)構(gòu)能夠揭示被中和抗體識(shí)別的靜電表面及相關(guān)結(jié)合位點(diǎn)。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(jì)中，主要針對(duì)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(jì)，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(diǎn)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(jì)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RSV F蛋白穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的成功，推動(dòng)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(gè)“高爾夫球臺(tái)”。

研究證實(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的pre-F是產(chǎn)生高效主動(dòng)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(gè)點(diǎn)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。基于此，設(shè)計(jì)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(shí)

通用流感疫苗的靶點(diǎn)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(diǎn)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(duì)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(duì)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(diǎn)，同時(shí)也是通用流感疫苗開發(fā)的潛在靶點(diǎn)。

基質(zhì)蛋白M2是一種跨膜蛋白，在病毒侵入細(xì)胞時(shí)，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(gè)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(diǎn)。

據(jù)明尼蘇達(dá)大學(xué)傳染病研究和政策中心CIDRAP統(tǒng)計(jì)，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(yàn)。但目前無通用流感疫苗產(chǎn)品上市。

但隨著技術(shù)的不斷成熟，科學(xué)家們對(duì)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(duì)流感大流行！

?義翹神州疫苗開發(fā)解決方案

義翹神州擁有技術(shù)平臺(tái)和豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，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(yàn)到生產(chǎn)和質(zhì)量控制，助力客戶高效推進(jìn)研發(fā)項(xiàng)目。同時(shí)，義翹神州緊密關(guān)注行業(yè)動(dòng)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(dòng)疫苗研發(fā)進(jìn)程。

免責(zé)聲明：義翹神州內(nèi)容團(tuán)隊(duì)僅是分享和解讀公開的研究論文及其發(fā)現(xiàn)，專注于介紹生物醫(yī)藥研究新進(jìn)展。本文僅作信息交流用，文中觀點(diǎn)不代表義翹神州立場(chǎng)。隨著對(duì)疾病機(jī)制研究的深入，新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論可能會(huì)修改或推-翻文中的描述，還請(qǐng)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(qǐng)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)】

1. Wen-Chien Wang, et al. Progress towards the Development of a Universal Influenza Vaccine. Viruses, 2022.  doi.org/10.3390/v14081684

2. Crank et al. A proof of concept for structure-based vaccine design targeting RSV in humans. Science, 2019. Doi: 10.1126/science.aav9033

3. ivr.cidrap.umn.edu/universal-influenza-vaccine-technology-landscape