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HIV-1疫苗开发的新时代正在到来

HIV-1的发现已经超过30年,那我们究竟离开发一种疫苗可预防人类感染,并帮助遏制全球HIV-1流行的目标还有多远?不幸的事实是,还很远。即使在实验室工作台上,我们都还没有开发出可诱导交叉反映性中和抗体——一种高水平保护性免疫的抗体类型。

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诱导中和抗体,这一目标已被证明尤其难达到,不过仍然是研究HIV-1疫苗的研究人员关注的焦点。疫苗难的一大主因是HIV结构复杂的表面包膜糖蛋白(Env)介导HIV-1进入宿主细胞。最近一期的Science上有几篇研究,分别对HIV-1包膜的三聚体提出了新的见解,Env作为疫苗的潜在用途,以及体液免疫系统如何产生有必要特征的抗体中和HIV-1。


Env是由三个相同的被切割成一个表面组分(gp120)的前体糖蛋白分子(gp160)和膜组分(gp41)组成。gp41的非共价结合,形成Env三聚体(也被称为病毒刺突)。HIV-1包膜有显着的抗原多样性,并通过它的四级结构,重糖基化隐藏关键的抗原决定基。此外,抗体必须经过广泛的演变(体细胞突变),以获得识别天然三聚体和阻断HIV-1感染的能力。


HIV-1发现后不久,病毒基因的gp160和gp120被克隆和编码到病毒疫苗载体或表达载体,做为重组蛋白疫苗。然而,这些疫苗没有引起广谱反应并中和抗体,而且gp120的蛋白质疫苗未能在人体药效试验中防止HIV-1感染。RV144疫苗使用了痘病毒素和增多的gp120,只表现出温和的31%的防护感染效果。


现在对为什么这些疫苗不理想,以及如何解决该问题都有了普遍的共识。一个关键的理念就是,许多单体的gp120分子的抗原表面基都被埋在三聚体包膜内,因此通过gp120引起大多数抗体并不能结合功能性病毒刺突。解决这个问题的方法概念上很简单——表达天然的Env三聚体作为疫苗免疫原。但从技术上讲,这是一个挑战。部分是因为gp120和gp41之间的非共价相互作用禁止了病毒包膜之外的三聚体稳定性。


Sanders等人通过设计具体的含有二硫键的蛋白质,将gp120和gp41一起"拿下"。这个蛋白统称BG505 SOSIP。BG505是用于制造蛋白质的病毒株,SOS指二硫键,IP是SOSIP三聚体稳定性所需的gp41的特定突变。研究人员使用BG505 SOSIP使家兔和猴子获得免疫。对于一个普通读者来说,他们的结果似乎令人失望:该疫苗引发针对自体病毒的中和抗体(匹配的疫苗),对异源病毒没反应。


由于HIV-1具有遗传多样性的,此三聚体肯定没有解决HIV-1的疫苗问题。关键的问题是这些结果是否构成产生更多的交叉反应性应答的第一布。一些接下来计划已经在进行中,包括发展替代的菌株和平台,以产生附加的三聚体,并进一步稳定三聚体,以潜在地提高其免疫原性。在这方面,Chen等人报告了在细胞表面产生近同源Env三聚体的稳定转染的细胞系。有趣的是,他们证明gp41的胞质内区改变后,对三聚体构象和抗原性出现不利影响。


虽然天然三聚体是HIV-1的疫苗的研究和发展的一个重要新工具,另外一些问题:比如高水平的体细胞突变、某些情使况下,免疫球蛋白可变区基因的使用偏好,在生产有效中和抗体时,需要解决。抗体上的gp120的CD4结合位点是特别值得研究,因为它们结合于病毒的功能上保守的区域。此类抗体的一个主要类别,称为VRC01类,可以模仿细胞受体CD4与gp120的相互作用而中和HIV-1。重要的是,VRC01类抗体被发现存在于多个HIV-1感染捐献者。因此它似乎代表一个靶向HIV三聚体的可重复解决方案。所有VRC01类抗体具有两个关键的免疫学特征:它们来自相同的重链可变基因的等位基因VH1-2*02,并且它们具有短(五个氨基酸)CDR3的轻链——避免与Env三聚体部分发生冲突的必要因素。


要研究免疫系统如何将这种不寻常的短轻链与VH1-2*02衍生重链配对,Jardine等人和Dosenovic等人构建出表达VRC01-类抗体的全人重链转基因小鼠。这些小鼠中产生抗体的B细胞优先表达人VH1-2*02衍生的重链,但重要的是,轻链库是完整的。Jardine等人构建的老鼠表达近种系的VRC01抗体(即未突变的)重链,然后让小鼠免疫表达专门设计的针对这种抗体的修饰蛋白gp120。值得注意的是,少于0.1%的小鼠轻链具有能产生VRC01类中和抗体所需的特性。然而,90%以上疫苗启动的能靶向CD4结合位点的B细胞都含有适当的五氨基酸轻链。他们建议如果用适当的抗原刺激,所需的能产生中和抗体的罕见免疫球蛋白基因重排就能被有效地制备。重要的是,所产生的抗体无法中和HIV-1,它们都是VRC01的前体抗体,将可能需要进一步的体细胞突变,以显示有效的病毒中和能力。


Dosenovic等构建了表达被称为3BNC60的germline-reverted VRC01类抗体的老鼠,然后对这些老鼠用不同的gp120工程变体处理,引起免疫反应。他们证明了实验老鼠体内产生了3BNC60的抗体前体——虽然仍然没有疫苗活性。但是,在能够表达3BNC60成熟抗体的重链分子的转基因老鼠身上,BG505 SOSIP三聚体引起免疫反应,产生了相当多的具有活性的血清VRC01类抗体。那些抗原特异性的免疫B细胞被克隆出来,研究发现他们表达的有效抗体不仅包括3BNC60重链还有仅由5个氨基酸组成的CDR3轻链部分。总而言之,Jardine和Dosenovic等人的研究表明人类免疫系统在发生抗原反应时能够产生由稀有轻链和适当重链组成的有效抗体。


以上4个研究如何促进了有效HIV-1疫苗的研制呢?首先,他们说明了现在我们可以利用真正的HIV三聚体蛋白引起免疫反应,而且可以由此获得能够识别病毒穗并且中和病毒的潜在有效抗体。关于三聚体蛋白的研究虽然仅仅是一个开始,他们为我们设计更加有效的疫苗抗原提供了必要的思路。这些研究也证明了对于HIV-1的Env免疫抗原的结构和免疫识别机制的知识使我们可以修饰该抗原从而更加有高效地研究它与免疫B细胞的相互反应。


根据我们对HIV-1被感染个体体内产生广谱中和抗体的情况的了解,成功的免疫接种很可能需要多种不同的免疫抗原和重复性人体实验才能实现。到底是特异性的Env蛋白的一部分克隆抗原,还是完整的三聚体——或者两者都是——可以用来诱导免疫B细胞还需要进一步的免疫反应实验才能确定。我们现在研发出了最新的免疫抗原,获得了如何产生有效抗体的免疫途径的相关知识,还拥有用来仔细研究免疫B细胞反应的相关技术。可以预见我们终究将会进入HIV-1免疫研究的新时代。


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