[科普中国]-新型HIV疫苗：人工合成的蛋白质有望预防艾滋病

导读：HIV疫苗研究之所以困难，是因为最适合用作HIV疫苗的病毒蛋白质十分脆弱，非常容易分解。令人遗憾的是，这些破碎的蛋白质本身不会诱导免疫系统产生保护性抗体，因此不能阻止HIV进入人体细胞。经过近20年的研究，科学家合成了一种人工蛋白质，不但不会分解，还能很好地模拟HIV的蛋白质，足以在动物试验中诱导机体产生所需抗体。30多年前，科学家就已经确定HIV是艾滋病的致病元凶，但是，直到现在我们依然没有设计出有效的疫苗。疫苗研发之所以缓慢，是因为HIV太特殊了。任何有效的抗病毒疫苗都必须激活免疫系统，在病毒侵入细胞，蔓延至全身之前攻击、消灭它们。但是HIV演化出了对付人体免疫系统的防御武器。它就像魔鬼一样，可以直接侵害关键的免疫细胞，而这些细胞的职能就是调动身体发起防御反击。HIV还是独一无二的伪装者。快节奏的变异过程让任何想要识别它的疫苗都无法完成使命。经过20年多年的努力，桑德斯（本文作者之一）组建的联合科研团队终于合成了一种人工蛋白质，能够帮助疫苗生产商克服过去面临的困难。试验证明，这种分子能在动物体内唤起对抗HIV的强烈免疫反应。全新的结构联合科研团队主要模拟的对象是HIV的囊膜蛋白质（envelope，简称Env）。现在，他们已经可以合成与这种物质非常相近的蛋白质了。囊膜蛋白会在HIV表面形成钉状突起，使病毒能够进入免疫细胞。正常情况下，这些T细胞通过自身外膜蛋白（包括CD4和CCR5蛋白质）与免疫系统的其他部分保持通讯，囊膜蛋白质就像堡垒高处的信号塔。当HIV企图进入免疫细胞时，它会与 CD4或CCR5蛋白质结合。囊膜蛋白质还会通过扭曲、重构自身的结构，使病毒外膜与免疫细胞的外膜发生融合。膜融合的同时，病毒就会把自己的基因释放到细胞中，生产出上亿份病毒拷贝。组装好的病毒又会逃出细胞，蔓延到周围的细胞里，重复传染过程。图片来源：Reconfirming the Traditional Model of HIV Particle Assembly. Gross L, PLoS Biology Vol. 4/12/2006, e445. doi:10.1371/journal.pbio.0040445科研人员试图破解囊膜蛋白质的花招，阻止蔓延的过程。其中，最合理的方法是“教会”人体免疫系统生产抗体分子，专门附着在HIV的囊膜蛋白质上。理论上，这些抗体应该产生两种功效。第一，形成屏障，使HIV不能附着在CD4 和CCR5 上，从而阻止病毒进入CD4+T细胞；第二，确保免疫系统其他部分迅速响应，破坏病毒并清除残留。类似的策略在乙肝病毒疫苗的研发上取得了成功。可惜，使用标准步骤开发HIV疫苗时，科学家却总是遭遇挫折。因为HIV的囊膜蛋白质十分“狡诈”，一旦与完整病毒分开就迅速分解。囊膜蛋白质片段包括gp120亚单位和gp41亚单位，前者负责与CD4蛋白质结合，后者负责将囊膜蛋白质锚定在病毒表面，促进病毒和免疫细胞膜的融合。很多人认为，囊膜蛋白质分解带来的问题不大。毕竟，出问题的gp120不能与CD4信号蛋白质结合，病毒就不能感染细胞了，而免疫系统还可以识别单个的gp120分子，产生抗体。但是很可惜，使用gp120亚单位开发疫苗的尝试都失败了。残酷的现实说明，针对单个gp120蛋白质的抗体不能触发强烈的免疫应答，只有研发针对整个蛋白质的抗体，才能更有效地消灭HIV。1988年，穆尔（本文作者之一）决定抛弃传统的gp120途径，研制基于完整囊膜蛋白质的疫苗。要开发这种疫苗非常困难，因为囊膜蛋白质结构复杂：它是一种三聚体，由3个gp120亚单位和3个gp41亚单位组成。对抗多方挑战联合科研团队在攻关过程中面临着多重挑战。首先，疫苗必须能刺激免疫系统产生特定种类的抗体。其中最有效的抗体需要识别完整的病毒，并与病毒结合，阻止病毒进入细胞。研究人员把这类防御性的分子称为中和抗体。然而，为了在世界范围内预防HIV感染，科学家不能只提高某一种中和抗体的效力，他们需要找到一种广谱疫苗：能够识别不同毒株的囊膜蛋白质，阻止它们利用CD4 和CCR5进入免疫细胞。理想的中和抗体应该可以针对不同毒株中的囊膜蛋白质的相似部分。如果可能的话，最好的策略是针对囊膜蛋白质的几个不同部分，能产生不同的广谱中和抗体。然而，HIV表面厚重的糖衣不仅遮挡了囊膜蛋白，还让它能躲开免疫系统。事实上，在没有用药时，HIV蔓延的过程也会刺激免疫系统，产生免疫反映。但是这种响应太微弱了，根本无法及时清除HIV。自然免疫反应识别和制造中和抗体的过程，已经足以让病毒大量繁殖，直至毁灭免疫系统，使患者病入膏肓。试验与失败在合成蛋白质三聚体时，联合科研团队的成功已经能达到两项重要标准了：首先不能分解，其次能激发特殊的中和抗体。在这个过程中，科学家们需要从一种HIV中分离出囊膜蛋白质基因，以它为蓝本合成了囊膜蛋白质。但是这个过程中，分离后的蛋白总会分解，科学家们只好在与HIV结构相似的其他病毒中寻找突破点。有些病毒的表面蛋白质中存在新的键，它们通常用一对硫原子把类似gp120和gp41的部分连接起来。在研究时，如何才能在合成的HIV囊膜蛋白质中加入这种二硫键？到底把二硫键放在什么位置才能让连接更紧密？在反复试验gp120 和 gp41的组合后，科学家们终于找到了正确的位置。可惜，得到的三聚体还是分解了。还好这次失败的经验也给了他们新的启示。科学家们把gp41部分的结构做了微小的改动。他们发现，用脯氨酸代替异亮氨酸后，三聚体就能紧密地结合在一起。于是他们将这种蛋白质命名为“SOSIP”，漫长的研究也因此迎来了曙光。随后，安德鲁·沃德（Andrew Ward，联合研发团队中的一员）用电子显微镜展现了合成三聚体的结构。他发现，这些三聚体吸引了很多脂质球，容易形成像口香糖一样的凝胶体。显然，科学家们还没制作出符合要求的钉状三聚体。照片来源：C. Goldsmith在电子显微照片的启发下，科学家们又想出了另一种方法：截去三聚体的一部分，让它不能吸引讨厌的脂质分子。科学家们把这个截短的三聚体叫做SOSIP.664。这意味着，三聚体中的三个个体都是一条氨基酸长链，其中664位做过截断。沃德在电子显微镜下看到，这种三聚体比往常更短，与HIV上发现的钉状结构非常类似：被截去的部分经常躲藏在病毒表面下。这时的SOSIP.664还不完整，只是与一种HIV毒株的囊膜蛋白质拥有同样的氨基酸组成。科学家希望进一步构建新的三聚体，让它诱导人体产生对大部分毒株都有效的中和抗体。为了达到这一步，科学家在试验室中尝试用不同的HIV诱导机体生成抗体，然后观察合成的三聚体能否被这些抗体识别。在这个漫长的过程中，科学家需要从来自世界各地的100种HIV里筛选蛋白质。在病毒样本编号BG505中，科学家们终于找到了这种关键的蛋白。它来自一名出生在肯尼亚首都内罗毕的婴儿，出生时就携带着HIV。除此以外，科学家还发明了一种方法，可以大量制备高纯度的三聚体BG505 SOSIP.664（简称BG505三聚体）。这意味着，他们将有足够的样品进行动物试验，甚至把它推向临床试验。在动物试验中，科学家们收集了由三聚体引发的HIV抗体。在接下来的研究中，他们还把这些抗体添加到了由人类细胞培养的器官中。结果发现，它们确实可以保护人类细胞免受BG505病毒的感染。不过，对其他毒株依然无能为力。但是，至少疫苗研发的一扇门被打开了。接下来，联合科研团队希望在人体中重复这些试验。事实上，科学家们已经成功创建了疫苗的第一代原型。在经过多次修改后，就可以确定哪种配方最有可能产生有效的抗体了。更值得庆幸的是，已经有很多科研团队开始利用SOSIP工具包了。在HIV疫苗的研制道路上，科学家经历过太多打击了，未来几年应该是收获的时节了。撰文荷兰阿姆斯特丹大学医学中心病毒学教授罗吉尔·W·桑德斯（Rogier W. Sanders）美国斯克利普斯研究所整合结构生物学和计算生物学部门的教授伊恩·A·威尔逊（Ian A. Wilson）威尔康奈尔医学中心的微生物学教授约翰·P·穆尔（John P. Moore ）翻译 张文韬文章由企鹅科学和科普中国联合推出转载请注明来自“科普中国”