[科普中國]-新型HIV疫苗：人工合成的蛋白質(zhì)有望預(yù)防艾滋病

導(dǎo)讀：HIV疫苗研究之所以困難，是因?yàn)樽钸m合用作HIV疫苗的病毒蛋白質(zhì)十分脆弱，非常容易分解。令人遺憾的是，這些破碎的蛋白質(zhì)本身不會(huì)誘導(dǎo)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生保護(hù)性抗體，因此不能阻止HIV進(jìn)入人體細(xì)胞。經(jīng)過近20年的研究，科學(xué)家合成了一種人工蛋白質(zhì)，不但不會(huì)分解，還能很好地模擬HIV的蛋白質(zhì)，足以在動(dòng)物試驗(yàn)中誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生所需抗體。30多年前，科學(xué)家就已經(jīng)確定HIV是艾滋病的致病元兇，但是，直到現(xiàn)在我們依然沒有設(shè)計(jì)出有效的疫苗。疫苗研發(fā)之所以緩慢，是因?yàn)镠IV太特殊了。任何有效的抗病毒疫苗都必須激活免疫系統(tǒng)，在病毒侵入細(xì)胞，蔓延至全身之前攻擊、消滅它們。但是HIV演化出了對(duì)付人體免疫系統(tǒng)的防御武器。它就像魔鬼一樣，可以直接侵害關(guān)鍵的免疫細(xì)胞，而這些細(xì)胞的職能就是調(diào)動(dòng)身體發(fā)起防御反擊。HIV還是獨(dú)一無二的偽裝者?？旃?jié)奏的變異過程讓任何想要識(shí)別它的疫苗都無法完成使命。經(jīng)過20年多年的努力，桑德斯（本文作者之一）組建的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)終于合成了一種人工蛋白質(zhì)，能夠幫助疫苗生產(chǎn)商克服過去面臨的困難。試驗(yàn)證明，這種分子能在動(dòng)物體內(nèi)喚起對(duì)抗HIV的強(qiáng)烈免疫反應(yīng)。全新的結(jié)構(gòu)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)主要模擬的對(duì)象是HIV的囊膜蛋白質(zhì)（envelope，簡稱Env）?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)可以合成與這種物質(zhì)非常相近的蛋白質(zhì)了。囊膜蛋白會(huì)在HIV表面形成釘狀突起，使病毒能夠進(jìn)入免疫細(xì)胞。正常情況下，這些T細(xì)胞通過自身外膜蛋白（包括CD4和CCR5蛋白質(zhì)）與免疫系統(tǒng)的其他部分保持通訊，囊膜蛋白質(zhì)就像堡壘高處的信號(hào)塔。當(dāng)HIV企圖進(jìn)入免疫細(xì)胞時(shí)，它會(huì)與 CD4或CCR5蛋白質(zhì)結(jié)合。囊膜蛋白質(zhì)還會(huì)通過扭曲、重構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)，使病毒外膜與免疫細(xì)胞的外膜發(fā)生融合。膜融合的同時(shí)，病毒就會(huì)把自己的基因釋放到細(xì)胞中，生產(chǎn)出上億份病毒拷貝。組裝好的病毒又會(huì)逃出細(xì)胞，蔓延到周圍的細(xì)胞里，重復(fù)傳染過程。圖片來源：Reconfirming the Traditional Model of HIV Particle Assembly. Gross L, PLoS Biology Vol. 4/12/2006, e445. doi:10.1371/journal.pbio.0040445科研人員試圖破解囊膜蛋白質(zhì)的花招，阻止蔓延的過程。其中，最合理的方法是“教會(huì)”人體免疫系統(tǒng)生產(chǎn)抗體分子，專門附著在HIV的囊膜蛋白質(zhì)上。理論上，這些抗體應(yīng)該產(chǎn)生兩種功效。第一，形成屏障，使HIV不能附著在CD4 和CCR5 上，從而阻止病毒進(jìn)入CD4+T細(xì)胞；第二，確保免疫系統(tǒng)其他部分迅速響應(yīng)，破壞病毒并清除殘留。類似的策略在乙肝病毒疫苗的研發(fā)上取得了成功?？上?，使用標(biāo)準(zhǔn)步驟開發(fā)HIV疫苗時(shí)，科學(xué)家卻總是遭遇挫折。因?yàn)镠IV的囊膜蛋白質(zhì)十分“狡詐”，一旦與完整病毒分開就迅速分解。囊膜蛋白質(zhì)片段包括gp120亞單位和gp41亞單位，前者負(fù)責(zé)與CD4蛋白質(zhì)結(jié)合，后者負(fù)責(zé)將囊膜蛋白質(zhì)錨定在病毒表面，促進(jìn)病毒和免疫細(xì)胞膜的融合。很多人認(rèn)為，囊膜蛋白質(zhì)分解帶來的問題不大。畢竟，出問題的gp120不能與CD4信號(hào)蛋白質(zhì)結(jié)合，病毒就不能感染細(xì)胞了，而免疫系統(tǒng)還可以識(shí)別單個(gè)的gp120分子，產(chǎn)生抗體。但是很可惜，使用gp120亞單位開發(fā)疫苗的嘗試都失敗了。殘酷的現(xiàn)實(shí)說明，針對(duì)單個(gè)gp120蛋白質(zhì)的抗體不能觸發(fā)強(qiáng)烈的免疫應(yīng)答，只有研發(fā)針對(duì)整個(gè)蛋白質(zhì)的抗體，才能更有效地消滅HIV。1988年，穆爾（本文作者之一）決定拋棄傳統(tǒng)的gp120途徑，研制基于完整囊膜蛋白質(zhì)的疫苗。要開發(fā)這種疫苗非常困難，因?yàn)槟夷さ鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜：它是一種三聚體，由3個(gè)gp120亞單位和3個(gè)gp41亞單位組成。對(duì)抗多方挑戰(zhàn)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在攻關(guān)過程中面臨著多重挑戰(zhàn)。首先，疫苗必須能刺激免疫系統(tǒng)產(chǎn)生特定種類的抗體。其中最有效的抗體需要識(shí)別完整的病毒，并與病毒結(jié)合，阻止病毒進(jìn)入細(xì)胞。研究人員把這類防御性的分子稱為中和抗體。然而，為了在世界范圍內(nèi)預(yù)防HIV感染，科學(xué)家不能只提高某一種中和抗體的效力，他們需要找到一種廣譜疫苗：能夠識(shí)別不同毒株的囊膜蛋白質(zhì)，阻止它們利用CD4 和CCR5進(jìn)入免疫細(xì)胞。理想的中和抗體應(yīng)該可以針對(duì)不同毒株中的囊膜蛋白質(zhì)的相似部分。如果可能的話，最好的策略是針對(duì)囊膜蛋白質(zhì)的幾個(gè)不同部分，能產(chǎn)生不同的廣譜中和抗體。然而，HIV表面厚重的糖衣不僅遮擋了囊膜蛋白，還讓它能躲開免疫系統(tǒng)。事實(shí)上，在沒有用藥時(shí)，HIV蔓延的過程也會(huì)刺激免疫系統(tǒng)，產(chǎn)生免疫反映。但是這種響應(yīng)太微弱了，根本無法及時(shí)清除HIV。自然免疫反應(yīng)識(shí)別和制造中和抗體的過程，已經(jīng)足以讓病毒大量繁殖，直至毀滅免疫系統(tǒng)，使患者病入膏肓。試驗(yàn)與失敗在合成蛋白質(zhì)三聚體時(shí)，聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)的成功已經(jīng)能達(dá)到兩項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)了：首先不能分解，其次能激發(fā)特殊的中和抗體。在這個(gè)過程中，科學(xué)家們需要從一種HIV中分離出囊膜蛋白質(zhì)基因，以它為藍(lán)本合成了囊膜蛋白質(zhì)。但是這個(gè)過程中，分離后的蛋白總會(huì)分解，科學(xué)家們只好在與HIV結(jié)構(gòu)相似的其他病毒中尋找突破點(diǎn)。有些病毒的表面蛋白質(zhì)中存在新的鍵，它們通常用一對(duì)硫原子把類似gp120和gp41的部分連接起來。在研究時(shí)，如何才能在合成的HIV囊膜蛋白質(zhì)中加入這種二硫鍵？到底把二硫鍵放在什么位置才能讓連接更緊密？在反復(fù)試驗(yàn)gp120 和 gp41的組合后，科學(xué)家們終于找到了正確的位置。可惜，得到的三聚體還是分解了。還好這次失敗的經(jīng)驗(yàn)也給了他們新的啟示?？茖W(xué)家們把gp41部分的結(jié)構(gòu)做了微小的改動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)，用脯氨酸代替異亮氨酸后，三聚體就能緊密地結(jié)合在一起。于是他們將這種蛋白質(zhì)命名為“SOSIP”，漫長的研究也因此迎來了曙光。隨后，安德魯·沃德（Andrew Ward，聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)中的一員）用電子顯微鏡展現(xiàn)了合成三聚體的結(jié)構(gòu)。他發(fā)現(xiàn)，這些三聚體吸引了很多脂質(zhì)球，容易形成像口香糖一樣的凝膠體。顯然，科學(xué)家們還沒制作出符合要求的釘狀三聚體。照片來源：C. Goldsmith在電子顯微照片的啟發(fā)下，科學(xué)家們又想出了另一種方法：截去三聚體的一部分，讓它不能吸引討厭的脂質(zhì)分子?？茖W(xué)家們把這個(gè)截短的三聚體叫做SOSIP.664。這意味著，三聚體中的三個(gè)個(gè)體都是一條氨基酸長鏈，其中664位做過截?cái)?。沃德在電子顯微鏡下看到，這種三聚體比往常更短，與HIV上發(fā)現(xiàn)的釘狀結(jié)構(gòu)非常類似：被截去的部分經(jīng)常躲藏在病毒表面下。這時(shí)的SOSIP.664還不完整，只是與一種HIV毒株的囊膜蛋白質(zhì)擁有同樣的氨基酸組成。科學(xué)家希望進(jìn)一步構(gòu)建新的三聚體，讓它誘導(dǎo)人體產(chǎn)生對(duì)大部分毒株都有效的中和抗體。為了達(dá)到這一步，科學(xué)家在試驗(yàn)室中嘗試用不同的HIV誘導(dǎo)機(jī)體生成抗體，然后觀察合成的三聚體能否被這些抗體識(shí)別。在這個(gè)漫長的過程中，科學(xué)家需要從來自世界各地的100種HIV里篩選蛋白質(zhì)。在病毒樣本編號(hào)BG505中，科學(xué)家們終于找到了這種關(guān)鍵的蛋白。它來自一名出生在肯尼亞首都內(nèi)羅畢的嬰兒，出生時(shí)就攜帶著HIV。除此以外，科學(xué)家還發(fā)明了一種方法，可以大量制備高純度的三聚體BG505 SOSIP.664（簡稱BG505三聚體）。這意味著，他們將有足夠的樣品進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)，甚至把它推向臨床試驗(yàn)。在動(dòng)物試驗(yàn)中，科學(xué)家們收集了由三聚體引發(fā)的HIV抗體。在接下來的研究中，他們還把這些抗體添加到了由人類細(xì)胞培養(yǎng)的器官中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它們確實(shí)可以保護(hù)人類細(xì)胞免受BG505病毒的感染。不過，對(duì)其他毒株依然無能為力。但是，至少疫苗研發(fā)的一扇門被打開了。接下來，聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)希望在人體中重復(fù)這些試驗(yàn)。事實(shí)上，科學(xué)家們已經(jīng)成功創(chuàng)建了疫苗的第一代原型。在經(jīng)過多次修改后，就可以確定哪種配方最有可能產(chǎn)生有效的抗體了。更值得慶幸的是，已經(jīng)有很多科研團(tuán)隊(duì)開始利用SOSIP工具包了。在HIV疫苗的研制道路上，科學(xué)家經(jīng)歷過太多打擊了，未來幾年應(yīng)該是收獲的時(shí)節(jié)了。撰文荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)醫(yī)學(xué)中心病毒學(xué)教授羅吉爾·W·桑德斯（Rogier W. Sanders）美國斯克利普斯研究所整合結(jié)構(gòu)生物學(xué)和計(jì)算生物學(xué)部門的教授伊恩·A·威爾遜（Ian A. Wilson）威爾康奈爾醫(yī)學(xué)中心的微生物學(xué)教授約翰·P·穆爾（John P. Moore ）翻譯 張文韜文章由企鵝科學(xué)和科普中國聯(lián)合推出轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自“科普中國”