借用細胞“自噬”降解病毒蛋白——深圳先進院建立減毒活疫苗設(shè)計新方法AUTOTAR
流感病毒是長期影響全球公共衛(wèi)生的重要呼吸道病原體,其傳播范圍廣、變異速度快,每年可造成大量感染與死亡。疫苗接種是預(yù)防流感最經(jīng)濟有效的手段之一。其中,減毒活疫苗是一類重要的疫苗研發(fā)方法,通過限制病毒復(fù)制實現(xiàn)毒力減弱,在降低致病性的同時,可保留病毒完整抗原與天然構(gòu)象,并激發(fā)黏膜免疫、體液免疫和細胞免疫應(yīng)答。然而,如何在安全性與免疫效力之間達到精準平衡,仍是減毒活疫苗研發(fā)的核心科學(xué)難題:減毒不足可能帶來潛在安全風險,減毒過度則可能降低免疫原性。
近日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院(以下簡稱“深圳先進院”)定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、合成生物學(xué)研究所司龍龍、施小山課題組在國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications發(fā)表了題為"Generation of an autophagytargeting influenza A virus as live attenuated vaccine"的最新研究成果。該研究建立并驗證了基于細胞自噬機制的減毒活疫苗設(shè)計體系(AUTOTAR),通過利用人體細胞天然的蛋白質(zhì)降解通路,實現(xiàn)了對流感病毒的條件性精準減毒,為平衡疫苗安全性、免疫原性與可量產(chǎn)性提供了新的技術(shù)路徑。
隨著病毒持續(xù)變異以及防控需求的不斷提升,廣譜、安全、持久、快速迭代的疫苗技術(shù)仍是領(lǐng)域內(nèi)重點探索方向。減毒活疫苗因能夠模擬自然感染、激活全面免疫應(yīng)答而具備獨特優(yōu)勢,在此背景下,發(fā)展新型、精準可控的病毒減毒技術(shù),具有重要的科學(xué)價值與應(yīng)用潛力。
細胞自噬是真核生物體內(nèi)高度保守且普遍存在的生理性降解通路,是細胞維持自身內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要方式。在正常生理條件下,細胞可通過自噬通路識別胞內(nèi)受損冗余、錯誤折疊的蛋白以及異常細胞器;經(jīng)由自噬體完成包裹分選后,轉(zhuǎn)運至溶酶體進行降解與物質(zhì)循環(huán)利用,進而清除胞內(nèi)異常組分、維系細胞正常代謝功能。這一降解過程依賴于ATG8家族蛋白識別特異性靶向基序,能夠?qū)崿F(xiàn)目標蛋白的選擇性降解,且不干擾細胞正常生理運轉(zhuǎn),具備良好的特異性、穩(wěn)定性與安全性。因此,研究團隊提出一個科學(xué)假設(shè):如果將自噬識別信號精準引入病毒蛋白,就可能在正常細胞中觸發(fā)病毒蛋白的選擇性降解,從而實現(xiàn)病毒減毒;而在工程細胞中移除該信號,則可支持病毒高效復(fù)制?;谶@一思路,團隊設(shè)計并構(gòu)建了可條件性去除的自噬靶向標簽,探索其在流感病毒上的應(yīng)用(圖1)。
團隊首先對流感病毒多種蛋白進行系統(tǒng)篩選,最終確定在NS1蛋白N端引入自噬靶向基序(ATM),并通過TEV酶切位點實現(xiàn)標簽的可控切除。
在體外細胞模型中,改造后的病毒在常規(guī)細胞中復(fù)制能力顯著降低,表現(xiàn)為高度減毒;在表達蛋白酶的工程細胞中,自噬標簽可被高效切除,病毒恢復(fù)高效復(fù)制能力(圖2)。進一步機制實驗證實,病毒蛋白的降解依賴自噬通路,而非蛋白酶體通路,為這一減毒策略的可靠性提供了機制支撐。
在小鼠模型中,團隊對疫苗株進行了系統(tǒng)評價。與野生型流感病毒相比,接種相同劑量的AUTOTAR疫苗后,小鼠未出現(xiàn)體重下降、肺部損傷及死亡,體內(nèi)也未檢出具有傳播風險的活病毒,且經(jīng)過連續(xù)傳代后,病毒基因組保持穩(wěn)定,未出現(xiàn)病毒突變跡象,充分驗證了AUTOTAR疫苗株在小鼠模型中的安全性(圖3)。
動物免疫實驗顯示,單次鼻噴接種AUTOTAR疫苗可有效誘導(dǎo)產(chǎn)生體液免疫、黏膜免疫與細胞免疫應(yīng)答(圖4)。?
AUTOTAR疫苗對同型流感病毒攻擊提供完全保護,并對不同亞型毒株展現(xiàn)出良好的交叉保護潛力(圖5)。
該研究將細胞自噬機制系統(tǒng)應(yīng)用于減毒活疫苗設(shè)計,驗證了 “自噬靶向調(diào)控病毒復(fù)制” 這一思路的可行性,豐富了基于蛋白質(zhì)降解的疫苗設(shè)計理論與技術(shù)體系。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善,AUTOTAR技術(shù)平臺有望拓展應(yīng)用于更多病毒類疫苗研發(fā),為新一代疫苗技術(shù)創(chuàng)新、傳染病防控體系完善與公共衛(wèi)生安全保障提供新的技術(shù)思路與有力支撐。目前,該技術(shù)完成了實驗室概念驗證,后續(xù)仍需通過系統(tǒng)性的大動物實驗評價,以全面驗證疫苗的安全性、免疫原性與保護效力。同時,該技術(shù)的通用性仍需在更多病毒模型中進行拓展驗證,以評估其在不同病原體背景下的適用性與穩(wěn)定性。
深圳先進院為第一單位和通訊單位。深圳先進院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、合成生物學(xué)研究所司龍龍、施小山研究員為共同通訊作者,郝嘉瑋、王平博士為論文共同第一作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項目支持。

圖1. AUTOTAR疫苗的設(shè)計思路

圖2. AUTOTAR疫苗體外復(fù)制動力學(xué)特征

圖3. 小鼠體內(nèi)安全性驗證

圖4. AUTOTAR疫苗的免疫原性評價

圖5. AUTOTAR疫苗的交叉免疫保護效果
附件下載: